RU2471884C2 - Method of material surface processing and device to this end - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: proposed method comprises forming ultra disperse substance layer on material surface produced by subjecting material of isolated electrodes to pulse discharge energy. Said discharge is initiated between two electrodes fed with electromagnetic power to make discharge displace over electrode surface. Density of power acting on said surface makes 10 to 5·10³ J/cm². Processing if carried out in gas at 10¹ to 10⁶ Pa, while surface of processed material is located at 1 to 50 cm from electrode surface. Proposed device comprises set of electrodes, electrodes isolation system, discharge initiation system, system of current leads connecting electrodes to electromagnetic power source, and processed material attachments. Said ultra disperse substance layer on material surface increase adhesion of coatings to surfaces of various materials.

EFFECT: provision of required characteristics of materials, for example, metals, alloys, semiconductors, and alloys.

13 cl, 8 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к технологии обработки поверхности твердого тела и предназначено для придания требуемых электрофизических, химических и механических свойств поверхности материалов из металлов и сплавов, полупроводников, диэлектриков и других материалов.The invention relates to solid surface treatment technology and is intended to impart the required electrophysical, chemical and mechanical properties to the surface of materials from metals and alloys, semiconductors, dielectrics and other materials.

На поверхности большинства используемых человеком изделий нанесены покрытия. Эти покрытия значительно увеличивают срок службы изделий и придают им дополнительные свойства. Для достижения этих эффектов необходимо, чтобы созданный на поверхности изделия слой имел срок службы значительно больший, чем у материала основы. Выполнить это требование возможно путем создания на поверхности сплошной пленки покрытия. Такую пленку можно создать либо гальваническим путем, либо путем испарения материала покрытия и конденсации полученного пара на обрабатываемой поверхности, либо химическим способом (например, технология «золь-гель»), либо (наиболее распространенный путь) нанесением на поверхность специальных покрытий - грунтов и красок.Most products used by humans are coated on the surface. These coatings significantly increase the service life of products and give them additional properties. To achieve these effects, it is necessary that the layer created on the surface of the product has a service life significantly longer than that of the base material. It is possible to fulfill this requirement by creating a continuous coating film on the surface. Such a film can be created either galvanically, or by evaporation of the coating material and condensation of the resulting vapor on the surface to be treated, or by a chemical method (for example, sol-gel technology), or (the most common way) by applying special coatings to the surface - primers and paints .

Один из вариантов первого пути описан в патенте «Способ получения наномодифицированного гальванического никелевого покрытия» (патент РФ №2411309, опубл. 10.02.2011).One of the options for the first path is described in the patent "Method for producing nanomodified galvanic nickel plating" (RF patent No. 2411309, publ. 02/10/2011).

Второй путь, начавший интенсивно развиваться в последнее время, предполагает возможность испарения материала и перенос отдельных его атомов на обрабатываемую поверхность. Это возможно только в условиях обработки материалов в вакууме [Данилин Б.С. Применение низкотемпературной плазмы для нанесения тонких пленок. М.: Энергоатомиздат, 1989]. К недостаткам этого пути следует отнести необходимость сложного, громоздкого и дорогого вакуумного оборудования, сложность обработки крупногабаритных изделий, сложность обработки изделий из материалов, подверженных термодеструкции. Все это существенно сокращает области, где подобные способы могут применяться.The second way, which has begun to intensively develop recently, suggests the possibility of evaporation of the material and the transfer of its individual atoms to the surface to be treated. This is possible only in conditions of processing materials in a vacuum [Danilin BS The use of low-temperature plasma for applying thin films. M .: Energoatomizdat, 1989]. The disadvantages of this path include the need for complex, bulky and expensive vacuum equipment, the complexity of processing large products, the complexity of processing products from materials that are subject to thermal degradation. All this significantly reduces the areas where similar methods can be applied.

Еще один известный путь - нанесение пленки материала химическим способом. В частности, в патенте «Методы предварительной обработки, не требующие смывания, и композиции для металлических поверхностей» (патент РФ №2410468, опубликован 27.01.2011) предложен способ обработки металлической поверхности для образования на ней конверсионного или пассивирующего покрытия, включающий контактирование поверхности с композицией, содержащей частицы коллоидного оксида или частицы коллоидного оксида кремния, уреидосилан, гидролизованный или частично гидрализованный уреидосилан или конденсат уреидосилана, воду и - необязательно - алкоксилированный силан или гидролизованный алкоксилированный силан. Изобретение позволяет увеличить коррозионную стойкость чистого или окрашенного металла и адгезионные свойства металла.Another well-known way - applying a film of material in a chemical way. In particular, in the patent "Pre-treatment methods that do not require rinsing, and compositions for metal surfaces" (RF patent No. 2410468, published January 27, 2011), a method for treating a metal surface to form a conversion or passivation coating on it, including contacting the surface with the composition containing colloidal oxide particles or colloidal silicon oxide particles, ureidosilane, hydrolyzed or partially hydralized ureidosilane or ureidosilane condensate, water and optionally - alkoxylated silane or hydrolyzed alkoxylated silane. The invention allows to increase the corrosion resistance of pure or painted metal and the adhesive properties of the metal.

Однако подобные способы вследствие дороговизны используемых компонентов и сложности промышленной реализации в настоящее время практически не применяются.However, such methods due to the high cost of the components used and the complexity of industrial implementation are currently practically not used.

Самый распространенный путь, реализуемый в большинстве современных технологий, - нанесение на поверхность лакокрасочных покрытий (ЛКП).The most common way, implemented in most modern technologies, is the application of paint coatings (LCP) to the surface.

Первым этапом в технологии окраски любых материалов является подготовка поверхности. Во многом от этого этапа зависит долговечность покрытия и его свойства (в первую очередь - адгезия).The first step in the technology of painting any materials is surface preparation. In many respects, the longevity of the coating and its properties (primarily adhesion) depend on this stage.

Под адгезией мы понимаем удельную энергию, необходимую для отделения пленки покрытия от поверхности материала основы. К сожалению, оказывается весьма затруднительным сравнивать результаты, полученные разными авторами, т.к. нет общепринятого способа измерения адгезии полимеров. Известно два основных подхода к ее измерению: косвенный - путем оценки краевого угла смачивания жидкостью поверхности субстрата и прямой - оценка работы отрыва адгезива от субстрата [Берлин А.А., Басин В.Е. Основы адгезии полимеров. М.: Химия, 1969, далее - 1]. На этих подходах основано некоторое количество методик оценки адгезии: прямое измерение угла смачивания с помощью гониометра, оценка адгезии при помощи тестовых чернил, различные вариации метода решетчатых надрезов и метод отрыва.By adhesion we mean the specific energy required to separate the coating film from the surface of the base material. Unfortunately, it turns out to be very difficult to compare the results obtained by different authors, because There is no generally accepted way to measure polymer adhesion. There are two main approaches to its measurement: indirect - by assessing the contact angle of the liquid wetting the surface of the substrate and direct - assessing the work of separation of the adhesive from the substrate [Berlin A.A., Basin V.E. Basics of polymer adhesion. M .: Chemistry, 1969, hereinafter - 1]. A number of methods for assessing adhesion are based on these approaches: direct measurement of the wetting angle using a goniometer, adhesion assessment using test inks, various variations of the lattice notch method, and the separation method.

Отсутствие общепринятого подхода к оценке адгезии потребовало от нас проведения сравнительного экспериментального исследования покрытий, получаемых с использованием наиболее распространенных плазмохимических методов обработки поверхности. Одинаковые условия проведения эксперимента и обработки результатов позволяют проводить сравнение различных методов обработки поверхности. В наших экспериментах для качественного сравнения результатов обработки поверхности полимеров использовалась одна из модификаций метода решетчатых надрезов. Описание экспериментов по адгезии полимерных материалов приведено ниже. Результаты сравнения приведены в таблице.The lack of a generally accepted approach to assessing adhesion required us to conduct a comparative experimental study of coatings obtained using the most common plasma chemical surface treatment methods. The same experimental conditions and processing of the results make it possible to compare different methods of surface treatment. In our experiments, for a qualitative comparison of the results of polymer surface treatment, one of the modifications of the lattice notch method was used. A description of experiments on the adhesion of polymeric materials is given below. The comparison results are shown in the table.

Существует множество способов обработки поверхности материалов, которые позволяют улучшить ее адгезионные свойства. Эти способы можно условно разделить на химические, физические и физико-химические. Простейшие варианты физических и химических способов предусматривают очистку поверхности от различного рода загрязнений (пример такой очистки описан в патенте «Способ безабразивной ультразвуковой финишной обработки поверхности» (патент РФ №2127658, опубл. 20.03.1999), или очистка с использованием щелочных, кислотных или нейтральных веществ, а также растворителей).There are many methods of surface treatment of materials that can improve its adhesive properties. These methods can be divided into chemical, physical and physicochemical. The simplest options for physical and chemical methods include cleaning the surface from various kinds of contaminants (an example of such cleaning is described in the patent “Method for non-abrasive ultrasonic finishing of the surface” (RF patent No. 2127658, published on 03.20.1999), or cleaning using alkaline, acid or neutral substances, as well as solvents).

Химическая обработка отличается большей простотой применения, чем абразивная, но она обычно менее производительна. Для увеличения производительности в настоящее время часто используют электрохимические методы обработки поверхности.Chemical processing is easier to use than abrasive, but it is usually less productive. To increase productivity, electrochemical methods of surface treatment are often used at present.

Например, в патенте на изобретение «Способ электрохимической очистки металлических изделий» (патент РФ №2411310, опубликован 10.02.2011) предлагается проводить электрохимическую обработку в водном рабочем растворе ортофосфорной кислоты с концентрацией 0,1÷2,8 мас.% в режиме анодной или импульсной поляризации постоянным током при соотношении τ_K:τ_a=2n:1, где n=0; 1,05, и плотности тока 0,1÷10 А/дм², и промывку, при этом при проведении процесса очистки через рабочий раствор в зоне обработки пропускают сжатый воздух в количестве 5÷10% от объема рабочего раствора. Технический результат - повышение качества очистки поверхности и производительности процесса без дополнительных затрат энергии.For example, in the patent for the invention “Method for the electrochemical cleaning of metal products” (RF patent No. 2411310, published 02.10.2011), it is proposed to carry out electrochemical treatment in an aqueous working solution of phosphoric acid with a concentration of 0.1 ÷ 2.8 wt.% In the anode or pulsed polarization by direct current with the ratio τ _K : τ _a = 2n: 1, where n = 0; 1.05, and a current density of 0.1 ÷ 10 A / dm ² , and washing, while during the cleaning process through the working solution in the treatment zone, compressed air is passed in an amount of 5 ÷ 10% of the volume of the working solution. EFFECT: increased quality of surface cleaning and process productivity without additional energy costs.

Однако после химических и электрохимических методов обработки поверхность зачастую необходимо промывать от растворов, что вызывает необходимость применения дополнительных очистных сооружений, существенно увеличивая стоимость такой обработки и сокращая области ее применения.However, after chemical and electrochemical treatment methods, the surface often needs to be washed from solutions, which necessitates the use of additional treatment facilities, significantly increasing the cost of such treatment and reducing its scope.

Относительно более сложные варианты физических способов обработки предусматривают увеличение площади контакта поверхности материала с покрытием. Такое увеличение площади контакта можно реализовать механической обработкой например, пескоструйной или матованием.Relatively more complex options for physical processing methods include increasing the contact area of the surface of the material with the coating. Such an increase in contact area can be realized by machining, for example, sandblasting or matting.

В частности, в патенте на изобретение «Способ газодинамической обработки поверхности порошковым материалом и устройство для его реализации» (патент РФ №2399694, опубликован 20.09.2010) предложен способ, включающий в себя подачу частиц порошкового материала в сверхзвуковое сопло, ускорение частиц сверхзвуковым газовым потоком и направление частиц на поверхность подложки. Технический результат - повышение производительности обработки, повышение качества покрытия.In particular, in the patent for the invention “A method for gas-dynamic surface treatment of a powder material and a device for its implementation” (RF patent No. 2399694, published September 20, 2010), a method is proposed that includes feeding particles of a powder material into a supersonic nozzle, accelerating particles with a supersonic gas flow and directing particles to the surface of the substrate. EFFECT: increased processing productivity, improved coating quality.

Недостаток этого способа связан с тем, что его использование не позволяет существенно увеличить площадь поверхности материала (максимально - в 1,5-2 раза на относительно мягких материалах), и поэтому увеличение адгезии этой поверхности окажется также несущественным. Особенно это касается обработки поверхностей полимеров, к поверхности большинства из которых покрытия имеют слабую адгезию, и повышение ее в 1,5-2 раза относительно адгезии необработанных материалов (увеличение адгезии в большинстве случаев пропорционально увеличению площади контакта материала с покрытием) недостаточно для формирования качественных покрытий.The disadvantage of this method is that its use does not significantly increase the surface area of the material (as much as 1.5-2 times on relatively soft materials), and therefore, an increase in the adhesion of this surface will also be insignificant. This is especially true for surface treatment of polymers, to the surface of most of which coatings have poor adhesion, and its increase by 1.5-2 times relative to the adhesion of untreated materials (the increase in adhesion in most cases is proportional to the increase in the contact area of the material with the coating) is not enough to form high-quality coatings .

Для существенного улучшения адгезии поверхности полимеров используются различные плазмохимические методы. Действующими механизмами в этом случае являются термическая, окислительная и радиационная деструкция поверхности полимеров. При этом способы обработки отличаются в первую очередь видом разряда, используемого для модификации поверхности.To significantly improve the adhesion of the surface of the polymers, various plasma-chemical methods are used. Acting mechanisms in this case are thermal, oxidative, and radiation degradation of the surface of polymers. Moreover, the processing methods differ primarily in the type of discharge used to modify the surface.

Различные формы разряда воздействуют на поверхность полимера, приводя к частичному разрушению полимерных молекул и образованию на поверхности материала функциональных групп различной химической природы, которые и обеспечивают высокие адгезионные свойства модифицированных поверхностей. Толщина обработанного приповерхностного слоя материала по разным оценкам может составлять от 10 нм до 10 мкм [1]. Реализация такого способа описана, например, в патенте на изобретение «Способ обработки термически нестойких материалов холодной плазменной струей» (патент РФ №2396369, опубликован 10.08.2010).Various forms of discharge act on the surface of the polymer, leading to partial destruction of the polymer molecules and the formation on the surface of the material of functional groups of various chemical nature, which provide high adhesive properties of the modified surfaces. According to various estimates, the thickness of the processed surface layer of the material can be from 10 nm to 10 μm [1]. The implementation of such a method is described, for example, in the patent for the invention "Method for processing thermally unstable materials with a cold plasma jet" (RF patent No. 2396369, published 10.08.2010).

В частности, полиэтилен низкого давления (PE-LD) представляет собой совокупность плотно упакованных макромолекул, у которых существует три вида связей: С-Н, С-С внутри молекул и С=С - на концах молекул. Разрушить связь С-Н в условиях слаботочных форм разряда практически невозможно [1]. Обычно связь С-С очень устойчива, однако наличие атомов водорода сильно понижает ее устойчивость. На прочность связи С-С влияет степень разветвленности полимеров и наличие заместителей в молекуле (поэтому, в частности, полиэтилен более термостоек, чем полипропилен и полиизобутилен). Например, при нагреве PE-LD проходит реакция разделения одной макромолекулы на две части по следующей схеме:In particular, low pressure polyethylene (PE-LD) is a collection of tightly packed macromolecules in which there are three types of bonds: CH, C — C inside the molecules, and C = C — at the ends of the molecules. It is almost impossible to break the CH bond under conditions of low-current discharge forms [1]. Usually, the C – C bond is very stable, but the presence of hydrogen atoms greatly reduces its stability. The bond strength of C – C is affected by the degree of branching of the polymers and the presence of substituents in the molecule (therefore, in particular, polyethylene is more heat-resistant than polypropylene and polyisobutylene). For example, when PE-LD is heated, the reaction of separation of one macromolecule into two parts takes place according to the following scheme:

B результате наличия атомов водорода связи С-С и особенно С=С значительно менее прочные, чем связи С-Н, и именно на разрыв первых двух видов связей обычно направлены традиционные пути повышения адгезии полимеров.As a result of the presence of hydrogen atoms, the C – C bonds, and especially C = C bonds, are significantly less strong than the C – H bonds, and it is precisely the breaking of the first two types of bonds that the traditional ways of increasing the adhesion of polymers are usually directed.

Квазистационарные способы плазменного повышения адгезии направлены на разрыв связей второго и третьего вида за счет повышения температуры вещества, воздействия на поверхность химически активных компонентов плазмы газового разряда (озон), относительно слабого УФ излучения плазмы. При этом необходимо создать условия, при которых разрушаться будут только те связи макромолекул, которые расположены на поверхности полимера. Для разрушения макромолекулы, расположенной внутри полимера, требуется затратить незначительно больше энергии, чем для разрушения той, что находится на его поверхности, и для того чтобы разрушались практически только поверхностные макромолекулы, необходимо использовать относительно длительные - квазистационарные - воздействия (10-200 с) при относительно низких их уровнях. К квазистационарным можно отнести способы, описанные в патентах:Quasistationary methods of plasma adhesion enhancement are aimed at breaking bonds of the second and third kind by increasing the temperature of the substance, exposing the surface of chemically active plasma components of a gas discharge (ozone), and relatively weak plasma UV radiation. In this case, it is necessary to create conditions under which only those bonds of macromolecules that are located on the polymer surface will be destroyed. For the destruction of a macromolecule located inside the polymer, it is required to expend slightly more energy than for the destruction of the one located on its surface, and in order to destroy almost only the surface macromolecules, it is necessary to use relatively long - quasistationary - effects (10-200 s) at relatively low levels. The methods described in the patents can be classified as quasistationary:

- «Способ и устройство для предварительной активации поверхности формованных изделий из кристаллических полимеров в тлеющем разряде перед окраской» (патент РФ №2180617, опубликован 20.03.2002), в котором для активации используется плазма тлеющего разряда постоянного или переменного тока, возбуждаемая между электродами при давлении остаточного воздуха в камере 10÷50 Па и напряжении между электродами 350÷500 В, при этом обработку изделий осуществляют в течение 1,5÷2 мин.- “A method and device for pre-activating the surface of molded articles of crystalline polymers in a glow discharge before painting” (RF patent No. 2180617, published March 20, 2002), in which a glow discharge plasma of direct or alternating current excited between the electrodes at pressure is used the residual air in the chamber 10 ÷ 50 Pa and the voltage between the electrodes 350 ÷ 500 V, while the processing of products is carried out for 1.5 ÷ 2 minutes

- «Способ подготовки поверхности полимерных материалов перед склеиванием» (патент РФ №2126810, опубликован 27.02.1999), в котором обработку в тлеющем разряде используют для активации поверхности перед склеиванием таких полимеров как полиолефины, фторопласты, эластомеры.- “A method for preparing the surface of polymeric materials before gluing” (RF patent No. 2126810, published 02/27/1999), in which a glow discharge treatment is used to activate the surface before gluing such polymers as polyolefins, fluoroplastics, elastomers.

Под термином «активация» понимают обработку полимерных поверхностей перед нанесением покрытия.By the term “activation” is meant the treatment of polymer surfaces before coating.

В патенте на полезную модель «Активатор установки для обработки полиимидофторопластовой пленки в барьерном разряде» (патент РФ №59334, опубликован 10.12.2006) для того чтобы увеличить интенсивность воздействия на поверхность полимера действие барьерного разряда дополнительно усиливают источником УФ излучения, а в заявке на изобретение «Способ формирования многослойных изделий с использованием устройств для поверхностной обработки» (заявка на изобретение РФ №2009117373, опубликована 20.11.2009) на поверхность изделия воздействуют либо коронным разрядом, либо ионизированным воздухом, либо плазменной дугой, либо пламенем, либо их комбинацией.In the utility model patent “Activator of a plant for processing a polyimidofluoroplastic film in a barrier discharge” (RF patent No. 59334, published December 10, 2006), in order to increase the intensity of exposure to the polymer surface, the effect of the barrier discharge is additionally enhanced by the UV radiation source, and in the application for invention "The method of forming multilayer products using devices for surface treatment" (application for invention of the Russian Federation No. 2009117373, published November 20, 2009) on the surface of the product is exposed either corona times near, or ionized air, or a plasma arc, or a flame, or a combination thereof.

Однако в поверхностном слое полимера, вследствие того, что связи третьего вида находятся на концах макромолекул, составленных обычно из нескольких тысяч атомов, их количество чрезвычайно ограничено, т.е., даже в оптимальном варианте, когда за время длительного воздействия будут разорваны все связи третьего рода, повышение адгезии принципиально не может быть очень велико.However, in the surface layer of the polymer, due to the fact that bonds of the third type are located at the ends of macromolecules, usually composed of several thousand atoms, their number is extremely limited, i.e., even in the best case, when all bonds of the third are broken during a long exposure sort, the increase in adhesion in principle can not be very large.

Попытки в квазистационарных способах увеличить интенсивность воздействия действующих факторов приводят к выраженной деструкции поверхности полимера. Все действующие механизмы плазменного воздействия жестко связаны друг с другом, и поэтому увеличение интенсивности воздействия УФ излучением или активными компонентами плазмы невозможно без увеличения температуры и плазмы, и поверхности обрабатываемого полимера [Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1987. 592 с., далее - 2].Attempts in quasistationary methods to increase the intensity of exposure to existing factors lead to pronounced destruction of the polymer surface. All existing mechanisms of plasma exposure are rigidly connected with each other, and therefore, an increase in the intensity of exposure to UV radiation or the active components of the plasma is impossible without an increase in temperature and plasma, and the surface of the processed polymer [Raizer Yu.P. Physics of gas discharge. M .: Nauka, 1987.592 s., Further - 2].

Поскольку температура обрабатываемой поверхности определяется интенсивностью и временем воздействия, для того чтобы обработка не приводила к деструкции полимера, интенсивное воздействие должно проходить в течение коротких промежутков времени, т.е. должно иметь вид коротких мощных импульсов.Since the temperature of the surface to be treated is determined by the intensity and time of exposure, so that the treatment does not lead to the destruction of the polymer, intensive exposure should take place for short periods of time, i.e. should take the form of short powerful pulses.

Подобный подход, в частности, описан в работе [Гончаров В.Д., Фискин Е.М., Фискина М.М. Тлеющий разряд в электротехнологии. Иркутск, ИПИ, 2003. 156 с.], где приведены результаты исследования импульсных модулированных режимов обработки полимеров в плазме магнетронного разряда. В этой работе на непрерывный ток разряда магнетронной распылительной системы в 2А, накладывались короткие (длительностью менее 10^-3 с), мощные импульсы до 1000 А. Использование подобных режимов позволило авторам работы частично разорвать поверхностные макромолекулы и связать образовавшиеся связи с атомами металлов. В результате на поверхности полимера удалось получить сплошную металлическую пленку толщиной до 200 нм. При этом адгезия ЛКП к металлизированной таким способом поверхности выросла более чем на 2 порядка по сравнению с необработанной поверхностью.A similar approach, in particular, is described in [Goncharov V.D., Fiskin E.M., Fiskina M.M. Glow discharge in electrical technology. Irkutsk, IPI, 2003. 156 pp.], Where the results of a study of pulsed modulated treatment of polymers in a magnetron discharge plasma are presented. In this work, the continuous discharge current of the magnetron sputtering system in 2A was superimposed by short (durations less than 10 ^-3 s), powerful pulses up to 1000 A. Using such modes, the authors of this work allowed the researchers to partially break off surface macromolecules and bind the formed bonds with metal atoms. As a result, a continuous metal film up to 200 nm thick was obtained on the polymer surface. In this case, the adhesion of the paintwork to the surface metallized in this way increased by more than 2 orders of magnitude compared to the untreated surface.

Однако для проведения процесса металлизации необходима камера с условиями высокого вакуума [10^-3 Па] и сложнейший источник питания, который не выпускается промышленностью серийно. Еще одним недостатком этого способа является принципиально малая производительность: время технологического процесса металлизации с учетом времени на создание условий вакуума составляет 15-20 мин. Также составляет сложность обработка крупногабаритных изделий, т.к. все изделие необходимо поместить в камеру и обеспечить условия, при которых все части этого изделия попадали бы в зону разряда - обычно круг диаметром 25-35 см. Большое значение имеет относительно высокая стоимость обработки связанная со стоимостью подобного оборудования. В результате, несмотря на возможность существенного увеличения адгезии по сравнению с обычными плазмохимическими методами, данная технология может быть востребована только при обработке деталей ограниченного характерного размера (до нескольких десятков сантиметров) и оказывается малопригодной при крупносерийном производстве.However, to carry out the metallization process, a chamber with high vacuum conditions [10 ^-3 Pa] and a sophisticated power supply, which is not commercially available, are necessary. Another disadvantage of this method is the fundamentally low productivity: the time of the metallization process, taking into account the time to create vacuum conditions, is 15-20 minutes. It is also difficult to process large items, as the whole product must be placed in a chamber and conditions under which all parts of this product would fall into the discharge zone — usually a circle with a diameter of 25-35 cm. The relatively high processing cost associated with the cost of such equipment is of great importance. As a result, despite the possibility of a significant increase in adhesion compared to conventional plasma-chemical methods, this technology can only be used when machining parts of a limited characteristic size (up to several tens of centimeters) and is of little use in large-scale production.

Другой путь повышения адгезии покрытия к основе предусматривает увеличение площади контакта основа-покрытие хотя бы на порядок, в отличие от существующих ныне методов.Another way to increase the adhesion of the coating to the base involves increasing the area of contact of the base-coating at least an order of magnitude, in contrast to the existing methods.

Достаточного увеличения площади контакта поверхности с ЛКП можно добиться, нанося на эту поверхность порошковые покрытия, однако при этом необходимо создать условия, при которых адгезия зерен порошка к поверхности материала и друг к другу была бы значительно выше, чем у покрытия. Этого обычно добиваются, увеличивая температуры поверхности основы и напыляемого порошка. Наиболее эффективно подобные условия можно реализовать с использованием различных плазменных методов, различие между которыми состоит в способе введения порошка в область, где осуществляется его нагрев.A sufficient increase in the area of contact of the surface with LCP can be achieved by applying powder coatings to this surface, however, it is necessary to create conditions under which the adhesion of powder grains to the surface of the material and to each other would be significantly higher than that of the coating. This is usually achieved by increasing the surface temperature of the base and sprayed powder. Most effectively, such conditions can be realized using various plasma methods, the difference between which is the method of introducing the powder into the region where it is heated.

В частности, в заявке на изобретение «Способ газотермического плазменного нанесения покрытий» (заявка №2007125447/02, опубл. 10.01.2009) предложен способ газотермического плазменного напыления деталей, включающий напыление плазменным методом многослойного покрытия, состоящего из металлического и керамических слоев, из порошкового материала.In particular, in the application for the invention, “Method of gas-thermal plasma coating” (application No. 2007125447/02, published on January 10, 2009), a method for gas-thermal plasma spraying of parts is proposed, including plasma spraying of a multilayer coating consisting of metal and ceramic layers of powder material.

Недостатки этой группы методов связаны с использованием многослойного нанесения относительно крупных порошков (обычно значительно более 10-20 мкм), при этом толщина самого пористого слоя составляет от 50 до 200 мкм, что осложняет равномерное нанесение покрытия: его шероховатость составляет 30-40 мкм и более. Поскольку покрытие должно иметь гораздо меньшую шероховатость, приходится увеличивать толщину и существенно увеличить расход материала покрытия. К тому же процесс нанесения порошков проходит при относительно высоких температурах, что требует высокого удельного расхода энергии.The disadvantages of this group of methods are associated with the use of multilayer deposition of relatively large powders (usually significantly more than 10-20 microns), while the thickness of the porous layer itself is from 50 to 200 microns, which complicates the uniform coating: its roughness is 30-40 microns or more . Since the coating should have a much lower roughness, it is necessary to increase the thickness and significantly increase the consumption of coating material. In addition, the process of applying powders takes place at relatively high temperatures, which requires a high specific energy consumption.

В меньшей степени этими недостатками обладает способ обработки поверхности электрическим разрядом (патент РФ №2319789, опубликован 20.03.2008).To a lesser extent, these disadvantages are due to the method of surface treatment by electrical discharge (RF patent No. 2319789, published March 20, 2008).

Этот способ является наиболее близким к заявляемому способу по совокупности признаков.This method is the closest to the claimed method in terms of features.

Способ обработки поверхности электрическим разрядом, включающий использование импульсного электрического разряда между электродом и заготовкой для образования на поверхности заготовки покрытия из материала, составляющего электрод, или из вещества, образующегося в результате реакции материала электрода при импульсном электрическом разряде, характеризующийся тем, что электрод образован из порошка металла или смеси металлов со средним диаметром зерен от 8 мкм до 10 мкм и содержит металл с низкой способностью образования карбида, а покрытие содержит порошок металла или смеси металлов в качестве основной составляющей, причем покрытие формируют в результате импульсного электрического разряда с длительностью импульса тока от 50 до 500 мкс и пиковом значении тока от 2 до 30 А.A method of treating a surface with an electric discharge, comprising using a pulsed electric discharge between the electrode and the workpiece to form a coating on the surface of the workpiece from a material constituting the electrode, or from a substance resulting from the reaction of the electrode material in a pulsed electric discharge, characterized in that the electrode is formed from powder metal or a mixture of metals with an average grain diameter of 8 μm to 10 μm and contains a metal with a low ability to form carbide, and coating The term includes metal powder or mixture of metals as the main component, wherein the coating is formed as a result of a pulsed electrical discharge with a current pulse width of 50 to 500 microseconds and a peak current value of 2 to 30 A.

Недостатки этого способа:The disadvantages of this method:

1. Необходимость работы при относительно высоких температурах поверхности (200-300°С), что не позволяет их использовать для обработки поверхности полимерных материалов.1. The need to work at relatively high surface temperatures (200-300 ° C), which does not allow them to be used for surface treatment of polymeric materials.

2. Используются относительно крупные порошки со средним диаметром от 6-10 мкм, при этом очень сложно добиться равномерности нанесения: неровности толщины покрытия составляют 15 мкм и выше. В результате, для того чтобы образовать качественное наружное покрытие необходимо существенно увеличить расход используемого материала покрытия.2. Relatively large powders with an average diameter of 6-10 microns are used, and it is very difficult to achieve uniformity of deposition: unevenness of the coating thickness is 15 microns and higher. As a result, in order to form a high-quality outer coating, it is necessary to significantly increase the consumption of the coating material used.

3. Электроды, которые используются в качестве расходного материала при проведении обработки поверхности по заявляемому способу, состоят из спрессованных мелких частиц металла, само производство которых достаточно дорого.3. The electrodes that are used as a consumable during surface treatment by the present method, consist of compressed small metal particles, the production of which is quite expensive.

4. Процесс проходит при относительно высоких температурах, что требует высокого расхода энергии на единицу обрабатываемой поверхности.4. The process takes place at relatively high temperatures, which requires a high energy consumption per unit of the treated surface.

В связи с развитием нанотехнологий в настоящее время появилась возможность использовать порошковые материалы со все более малыми диаметрами порошков. При уменьшении этого диаметра менее 1 мкм (ультрадисперсный порошковый материал) практически исчезает необходимость разогрева поверхности материала (начинают активно проявлять себя силы Ван-дер-Ваальса). Нанесение ультрадисперсных материалов (УДМ) с одной стороны приводит к уменьшению необходимой толщины покрытия и расхода материала покрытия (при одинаковой площади контакта, чем меньше диаметр отдельных частиц - тем меньше будет толщина покрытия этими частицами), а с другой стороны - подобными методами можно обрабатывать материалы, подверженные термодеструкции, например полимерные материалы. При этом сам метод требует значительно меньших энергозатрат на единицу поверхности.In connection with the development of nanotechnology, it is now possible to use powder materials with increasingly smaller powder diameters. When this diameter is reduced to less than 1 μm (ultrafine powder material), the need for heating the surface of the material practically disappears (Van der Waals forces begin to actively manifest themselves). The application of ultrafine materials (UDM) on the one hand leads to a decrease in the required coating thickness and consumption of the coating material (for the same contact area, the smaller the diameter of the individual particles, the smaller the coating thickness with these particles), and on the other hand, materials can be processed using similar methods subject to thermal degradation, for example polymeric materials. In this case, the method itself requires significantly less energy per unit surface.

Однако УДМ из-за малости размеров отдельных частиц очень сложно наносить на поверхность, к тому же эти частицы имеют тенденцию к агломерации (прилипанию частиц материала друг к другу). При этом образовавшиеся агломераты, размер которых обычно составляет значительно более 1 мкм, уже не будут иметь хорошей адгезии к не разогретой перед нанесением поверхности. К тому же стоимость УДМ весьма высока и существенно увеличивается, если применяются способы, которые позволяют избежать агломерации.However, because of the small size of individual particles, UDM is very difficult to apply to the surface; moreover, these particles tend to agglomerate (the particles of material adhere to each other). Moreover, the resulting agglomerates, the size of which is usually much more than 1 μm, will no longer have good adhesion to the surface which is not warmed up before application. In addition, the cost of UDM is very high and increases significantly if methods are used to avoid agglomeration.

Для того чтобы преодолеть сложности использования УДМ необходимо создать условия, при которых эти материалы образовывались бы в непосредственной близости от поверхности, на которую они будут наноситься. Создать подобные условия позволяет использование заявляемого способа.In order to overcome the difficulties of using UDM, it is necessary to create conditions under which these materials would form in the immediate vicinity of the surface on which they will be applied. To create such conditions allows the use of the proposed method.

Заявляемый способ совмещает в себе достоинства плазменной обработки с преимуществом увеличения площади контакта основа-покрытие за счет нанесения на поверхность материала основы слоя ультрадисперсного вещества.The inventive method combines the advantages of plasma processing with the advantage of increasing the contact area of the base-coating by applying a layer of ultrafine substance to the surface of the base material.

Технический результат изобретения заключается в формировании на обрабатываемой поверхности материала слоя ультрадисперсного вещества, состоящего из вещества, полученного в результате воздействия на материалы электродов энергии импульсного электрического разряда. Наличие такого слоя позволяет не менее чем в 5 раз, по сравнению с необработанными материалами, увеличить адгезию покрытий к поверхностям различных материалов.The technical result of the invention consists in the formation on the surface of the material material of a layer of ultrafine substance consisting of a substance obtained by exposure to materials of the electrodes of the energy of a pulsed electric discharge. The presence of such a layer allows not less than 5 times, compared with untreated materials, to increase the adhesion of coatings to the surfaces of various materials.

В рассматриваемом случае получение покрытия предполагает частичное испарение материала электродов. Для этого необходимо, чтобы плотность мощности на их поверхности электродов значительно превышала значения, достижимые в квазистационарном варианте дугового разряда: в этом разряде максимально достижимое на поверхности электродов значение плотности мощности составляет 10⁵ Вт/см² [2]. Превышение этого значения приводит к интенсивному расплавлению катода, и единственный возможный вариант не допустить этого эффекта - уменьшить время воздействия энергии разряда на поверхность электрода. Этого можно добиться за счет уменьшения постоянной времени питающей разряд электрической цепи. В большинстве случаев эту цепь можно представить в виде последовательно включенных емкости накопителя энергии С и сопротивления токоподводов R. Постоянная времени такой цепи τ=R·C. Для того чтобы уменьшить постоянную времени необходимо уменьшить сопротивление (при длительности импульса 10^-5 с и длине токоподводов 0,4 м это сопротивление не может быть меньше 0,03 Ом и существенно увеличивается при уменьшении длительности импульса) [Гончаров В.Д., Самсонов Д.С., Фискин Е.М. Исследование процессов в цепях питания устройств инициации разряда в рельсотронном ускорителе, Известия СПбГЭТУ ЛЭТИ. №6, 2010, далее - 3]. Таким образом, для уменьшения постоянной времени питающей цепи необходимо уменьшать емкость накопителя энергии, и, следовательно, энергию отдельных импульсов и производительность технологического процесса в целом. Другой вариант уменьшения времени воздействия на поверхность электродов - заставить разряд двигаться по этой поверхности.In this case, obtaining a coating involves partial evaporation of the electrode material. For this, it is necessary that the power density on their electrode surface significantly exceeds the values achievable in the quasi-stationary version of the arc discharge: in this discharge, the maximum power density on the electrode surface is 10 ⁵ W / cm ² [2]. Exceeding this value leads to intense melting of the cathode, and the only possible way to prevent this effect is to reduce the time the discharge energy affects the electrode surface. This can be achieved by reducing the time constant of the supply discharge of the electric circuit. In most cases, this circuit can be represented as series-connected capacities of the energy storage device C and resistance of the current leads R. The time constant of such a circuit is τ = R · C. In order to reduce the time constant, it is necessary to reduce the resistance (with a pulse duration of 10 ^-5 s and a current lead length of 0.4 m, this resistance cannot be less than 0.03 Ohm and increases significantly with a decrease in pulse duration) [Goncharov V.D., Samsonov D.S., Fiskin E.M. Investigation of processes in the power supply circuits of discharge initiation devices in a rail-accelerated accelerator, Izvestiya SPbGETU LETI. No. 6, 2010, further - 3]. Thus, to reduce the time constant of the supply circuit, it is necessary to reduce the capacity of the energy storage device, and therefore, the energy of individual pulses and the productivity of the process as a whole. Another option to reduce the time of exposure to the surface of the electrodes is to make the discharge move along this surface.

Эффект перемещения разряда по поверхности электрода положен в основу изобретения, описанного в заявке «Рельсовый плазмотрон для получения покрытий на поверхности диэлектрических материалов» (заявка №98102043, опубликована 10.03.1999). Это устройство является наиболее близким к заявленному устройству по совокупности признаков.The effect of moving the discharge along the surface of the electrode is the basis of the invention described in the application "Rail plasmatron for coating on the surface of dielectric materials" (application No. 98102043, published 10.03.1999). This device is the closest to the claimed device in terms of features.

В этой заявке для получения покрытий на поверхности диэлектрических материалов предлагается использовать рельсовый плазмотрон, содержащий два электрода - анод и катод, расположенные параллельно друг другу, магнитную систему для создания однородного магнитного поля между электродами по всей их длине, средства для зажигания и гашения дугового разряда и токопроводы, отличающийся тем, что средства для зажигания и гашения дугового разряда установлены на противоположных концах электродов и связаны с дополнительно введенным средством для синхронизации их работы, причем по крайней мере катод выполнен со сквозными капиллярными каналами и снабжен емкостью для испаряемого материала.In this application, to obtain coatings on the surface of dielectric materials, it is proposed to use a rail plasmatron containing two electrodes - an anode and a cathode located parallel to each other, a magnetic system to create a uniform magnetic field between the electrodes along their entire length, means for igniting and extinguishing the arc discharge and conductors, characterized in that the means for igniting and extinguishing the arc discharge are installed at opposite ends of the electrodes and are connected with additionally introduced means for synchronization of their work, and at least the cathode is made with through capillary channels and is equipped with a container for the evaporated material.

Для эффективного использования подобной установки испаряемый материал должен поступать непосредственно в зону разряда, т.е. капилляры должны заканчиваться в области катода, находящейся на пути движения разряда. Однако перемещение катодного пятна дугового разряда по поверхности электрода вызывает ее оплавление и приводит к закрытию капиллярных каналов. Чтобы этого не происходило, капиллярные каналы должны располагаться относительно далеко от зоны разряда. В результате испаряемое вещество практически не попадает в зону разряда, т.к. давление и температура в ней больше, чем в окружающей среде, и данное устройство не может в полной мере выполнить своего предназначения.For the efficient use of such an installation, the vaporized material must enter directly into the discharge zone, i.e. capillaries should end in the region of the cathode located in the path of the discharge. However, the movement of the cathode spot of the arc discharge along the surface of the electrode causes its melting and leads to the closure of capillary channels. To prevent this, the capillary channels should be located relatively far from the discharge zone. As a result, the evaporated substance practically does not fall into the discharge zone, since the pressure and temperature in it are greater than in the environment, and this device cannot fully fulfill its purpose.

Преодолеть недостаток данного устройства, связанный с необходимостью наличия капиллярных каналов и испаряемой по ним жидкости можно, увеличив поверхностную плотность мощности на электродах так, чтобы этой мощности оказалось достаточно для частичного испарения материала самого электрода. В этом случае роль испаряемой жидкости играет материал электрода.It is possible to overcome the drawback of this device related to the need for capillary channels and liquid evaporated through them by increasing the surface power density at the electrodes so that this power is sufficient to partially evaporate the material of the electrode itself. In this case, the role of the evaporated liquid is played by the electrode material.

Указанный технический результат достигается при помощи формирования на поверхности обрабатываемого материала слоя ультрадисперсного вещества, состоящего из вещества, полученного в результате воздействия на материалы изолированных друг от друга электродов энергии импульсного электрического разряда, отличающийся тем, что используется разряд между двумя протяженными хотя бы в одном направлении электродами, подвод электромагнитной энергии к которым выполнен таким образом, чтобы обеспечить перемещение разряда по рабочей поверхности электродов, при этом плотность энергии, воздействующей на поверхность электродов, составляет величину от 10 до 5·10³ Дж/см², обработка происходит в газовой среде, давление которой составляет величину от 10¹ до 10⁶ Па, а обрабатываемая поверхность материала расположена напротив рабочей поверхности электродов на расстоянии от 1 до 50 см от них.The specified technical result is achieved by forming on the surface of the processed material a layer of an ultrafine substance consisting of a substance obtained by exposing the materials of isolated electrodes to the energy of a pulsed electric discharge, characterized in that a discharge is used between two electrodes extended in at least one direction , the supply of electromagnetic energy to which is made in such a way as to ensure the movement of the discharge on the working surface Electrode, wherein the energy density acting on the surface of the electrodes amounts to from 10 to 5 · 10 ³ J / cm ^2, the treatment takes place in a gaseous environment, wherein the pressure is from 10 ¹ to 10 ⁶ Pa, and the treated material surface is opposite the working surface of the electrodes at a distance of 1 to 50 cm from them.

Для получения указанного технического результата предлагается устройство, реализующее заявляемый способ обработки поверхности материалов, содержащее систему электродов, состоящую из двух протяженных хотя бы в одном направлении электродов, систему изоляции электродов, систему инициации разряда на рабочей поверхности электродов, систему токоподводов, связывающих электроды с источником электромагнитной энергии, систему крепления обрабатываемого материала, отличающееся тем, что системы подвода электромагнитной энергии, инициации разряда и изоляции электродов выполнены таким образом, чтобы обеспечить движение разряда по рабочей поверхности электродов, обращенной к системе крепления обрабатываемого материала, при этом источник электромагнитной энергии состоит из источника постоянного напряжения и системы накопления электромагнитной энергии. При этом источник постоянного напряжения может быть выполнен в виде трансформатора и выпрямителя, система накопления электромагнитной энергии может быть выполнена в виде батареи конденсаторов или индуктивного накопителя, система инициации разряда может быть выполнена в виде системы локального высоковольтного искрового пробоя приэлектродных областей, либо в виде комбинации коммутирующего прибора и токопроводящей вставки, замыкающей электроды, система изоляции может быть выполнена в виде расположенной между электродами сплошной диэлектрической вставки, либо в виде двух или более диэлектрических вставок, в промежутке (промежутках) между которыми расположена одна (или несколько) испаряемая проводящая вставка, которая не подключена к источникам электромагнитной энергии, причем внешняя граница диэлектрической вставки (вставок) может быть расположена на расстоянии от -5 до +5 мм относительно уровня рабочей поверхности электродов и может выступать за границы электродов не менее чем на 1 мм на всех остальных границах, а движение разряда обеспечивается либо расположением устройства инициации разряда со стороны той части системы электродов, к которым подключается система токоподводов при постоянном или изменяющемся в направлении от системы инициации (уменьшающемся не более чем на 4 мм либо увеличивающемся не более чем на 2 мм) расстоянии между изолированными поверхностями электродов и постоянной, либо изменяющейся в направлении от системы инициации (уменьшающемся не более чем на 3 мм либо увеличивающемся не более чем на 2 мм) высоте диэлектрической вставки над рабочей поверхностью электродов, либо расположением устройства инициации разряда со стороны большего расстояния между электродами, которое изменяется от 4 мм до 2 мм, а расстояние между рабочей границей диэлектрической вставки и рабочей поверхностью электродов составляет от 2 до 7 мм, при этом система токоподводов подключена к системе электродов в произвольном месте.To obtain the specified technical result, a device is proposed that implements the inventive method of processing the surface of materials, comprising an electrode system consisting of two electrodes extended in at least one direction, an electrode insulation system, a discharge initiation system on the electrode working surface, a current supply system connecting electrodes to an electromagnetic source energy, the fastening system of the processed material, characterized in that the supply system of electromagnetic energy, the initiation of number and isolation electrodes formed so as to provide movement of the discharge of the working electrode surface facing the fastening system of the processed material, wherein the electromagnetic energy source consists of DC voltage source and electromagnetic energy accumulation system. In this case, the DC voltage source can be made in the form of a transformer and a rectifier, the electromagnetic energy storage system can be made in the form of a capacitor bank or inductive storage, the discharge initiation system can be made in the form of a local high-voltage spark breakdown of the electrode regions, or in the form of a combination of commuting the device and the conductive insert closing the electrodes, the insulation system can be made in the form of a continuous di electrical insert, or in the form of two or more dielectric inserts, in the gap (s) between which there is one (or several) evaporated conductive insert that is not connected to sources of electromagnetic energy, and the outer border of the dielectric insert (inserts) can be located at a distance from -5 to +5 mm relative to the level of the working surface of the electrodes and can protrude beyond the boundaries of the electrodes by at least 1 mm at all other boundaries, and the discharge movement is provided either by the location the discharge initiation system from that part of the electrode system to which the current supply system is connected at a constant or changing direction from the initiation system (decreasing by no more than 4 mm or increasing by no more than 2 mm) the distance between the insulated electrode surfaces and the constant, or changing in the direction from the initiation system (decreasing by no more than 3 mm or increasing by no more than 2 mm) the height of the dielectric insert above the working surface of the electrodes, or HAND device initiating a discharge from the larger distance between the electrodes, which varies from 4 mm to 2 mm and the distance between the working boundary of the dielectric paste and the working surface of the electrodes is 2 to 7 mm, wherein the system current leads connected to the electrode system in an arbitrary place.

На фиг.1 приведена схема предлагаемого устройства. На фиг.2 приведены возможные схемы системы инициации разряда. На фиг.3 приведены возможные схемы взаимного расположения электродов и диэлектрической вставки. На фиг.4 приведен вариант системы изоляции электродов. На фиг.5 приведен вариант системы позиционирования обрабатываемого материала. На фиг.6 в качестве примера приведены результаты экспериментального исследования адгезии ЛКП к поверхности полипропилена, обработанного традиционными методами, а также с использованием заявляемого способа обработки материалов. На фиг.7 приведены результаты исследования обработанной поверхности стального изделия. На фиг.8 приведены результаты исследований поверхности полиэтилена.Figure 1 shows a diagram of the proposed device. Figure 2 shows the possible circuit of the discharge initiation system. Figure 3 shows possible schemes for the relative positioning of the electrodes and the dielectric insert. Figure 4 shows a variant of the electrode insulation system. Figure 5 shows a variant of the positioning system of the processed material. Figure 6 shows as an example the results of an experimental study of the adhesion of paintwork to the surface of polypropylene treated by traditional methods, as well as using the inventive method of processing materials. Figure 7 shows the results of a study of the treated surface of a steel product. On Fig shows the results of studies of the surface of polyethylene.

Устройство (фиг.1) состоит из источника электромагнитной энергии 1, системы накопления электромагнитной энергии 2, системы токоподводов 3, системы инициации разряда 4, системы электродов 5 с системой изоляции электродов 6, системы позиционирования обрабатываемого материала 7.The device (Fig. 1) consists of an electromagnetic energy source 1, an electromagnetic energy storage system 2, a current supply system 3, a discharge initiation system 4, an electrode system 5 with an electrode insulation system 6, a positioning system for the processed material 7.

Источник электромагнитной энергии 1 может быть выполнен в виде источника постоянного напряжения. Система накопления электромагнитной энергии 2 может быть выполнена в виде батареи конденсаторов или индуктивного накопителя. Система токоподводов 3 может быть выполнена в виде отрезка коаксиального кабеля.The electromagnetic energy source 1 can be made in the form of a constant voltage source. The system of storage of electromagnetic energy 2 can be made in the form of a capacitor bank or inductive storage. The current supply system 3 can be made in the form of a piece of coaxial cable.

Система инициации разряда 4 может быть выполнена в виде коммутирующего большие токи прибора (например, игнитрона) 8 и тонкого проводника 9, замыкающего электроды (фиг.2а), либо в виде системы высоковольтного искрового пробоя приэлектродных областей (фиг.2б). Устройство системы высоковольтного искрового пробоя аналогично тому, что используется при зажигании дугового разряда в плазмотронах для дуговой резки материалов и состоит из источника высокого напряжения 10 и электродов искового пробоя 11, расположенных в непосредственной близости от электродов 5. Система электродов 5 может быть выполнена в виде двух протяженных по крайней мере в одном направлении электродов 12 (фиг.3), расположенных на расстоянии от 1 до 5 мм друг относительно друга, которое может быть постоянным (фиг.3а) или изменяться в указанном выше диапазоне (фиг.3б).The discharge initiation system 4 can be made in the form of a device switching high currents (for example, an ignitron) 8 and a thin conductor 9 closing the electrodes (Fig. 2a), or in the form of a system of high-voltage spark breakdown of the near-electrode regions (Fig. 2b). The device of the high-voltage spark-breakdown system is similar to that used when igniting an arc discharge in plasmatrons for arc cutting of materials and consists of a high voltage source 10 and spark breakdown electrodes 11 located in the immediate vicinity of the electrodes 5. The electrode system 5 can be made in the form of two electrodes 12 extended in at least one direction (FIG. 3) located at a distance of 1 to 5 mm relative to each other, which may be constant (FIG. 3 a) or vary in direction annom above range (3b).

Система изоляции электродов 6 может быть выполнена в виде расположенной между электродами сплошной диэлектрической вставки 13 (фиг.3). Границы диэлектрической вставки 13 могут выступать на постоянную величину относительно всех границ электродов 12: уровень рабочей границы 15 диэлектрической вставки 13 может находиться на расстоянии от -5 до +5 мм относительно уровня рабочей поверхности 14 электродов 12, а остальные границы диэлектрической вставки 13 могут выступать за границы электродов 12 не менее чем на 1 мм (фиг.3а, б). Расстояние между рабочей поверхностью 14 электродов 12 и рабочей поверхностью 15 диэлектрической вставки 13 может также изменяться в указанном выше диапазоне (фиг.3в). Диэлектрическая вставка может быть выполнена, например, из текстолита.The insulation system of the electrodes 6 can be made in the form of a continuous dielectric insert 13 located between the electrodes (Fig. 3). The boundaries of the dielectric insert 13 can protrude at a constant value relative to all the boundaries of the electrodes 12: the level of the working boundary 15 of the dielectric insert 13 can be at a distance from -5 to +5 mm relative to the level of the working surface 14 of the electrodes 12, and the remaining boundaries of the dielectric insert 13 can protrude the boundaries of the electrodes 12 not less than 1 mm (figa, b). The distance between the working surface 14 of the electrodes 12 and the working surface 15 of the dielectric insert 13 can also vary in the above range (figv). The dielectric insert can be made, for example, of PCB.

Система изоляции электродов 6 также может быть выполнена виде двух или более диэлектрических вставок 13, в промежутке (промежутках) между которыми расположена одна (или несколько) испаряемая проводящая вставка 16 (фиг.4), которая не подключена к источникам электромагнитной энергии. Токоподводы могут быть подключены к торцам электродов 17.The electrode insulation system 6 can also be made in the form of two or more dielectric inserts 13, in the gap (s) between which there is one (or several) evaporated conductive insert 16 (Fig. 4), which is not connected to sources of electromagnetic energy. Current leads can be connected to the ends of the electrodes 17.

Система позиционирования обрабатываемого материала 7 может быть выполнена в виде окна 18, вырезанного в сплошной пластине 19 (фиг.5) и перемещаться по высоте относительно рабочей поверхности электродов 14, причем, эта высота определяет размеры обрабатываемой области на поверхности обрабатываемого материала: чем больше высота, тем больше площадь обработки, но меньше ее интенсивность.The positioning system of the processed material 7 can be made in the form of a window 18 cut in a continuous plate 19 (Fig. 5) and moved along the height relative to the working surface of the electrodes 14, and this height determines the dimensions of the treated area on the surface of the processed material: the greater the height, the larger the processing area, but its intensity is less.

На фиг.6 в качестве примера приведены результаты экспериментов по отрыву тканево-армированной липкой ленты от полипропиленовых образцов, на которые были нанесены ЛКП. На фиг.6, а приведен образец, который не обрабатывался перед нанесением ЛКП, на фиг.6б - образец, который обрабатывался путем матования наждачной бумагой, на фиг.6в - образец, который обрабатывался в плазме искрового разряда, на фиг.6г - образец, который обрабатывался с использованием заявляемого способа.Figure 6 shows, by way of example, the results of experiments on tearing a tissue-reinforced adhesive tape from polypropylene samples onto which LCP was applied. Fig.6a shows a sample that was not processed before applying the paintwork, Fig.6b shows a sample that was processed by sanding, Fig.6b shows a sample that was processed in a spark plasma, Fig.6g shows a sample , which was processed using the proposed method.

На фиг.7а в качестве примера приведены результаты атомно-силовой микроскопии (зондовый микроскоп NTegra фирмы NT-MDT, Зеленоград) поверхности стального изделия, обработанной с использованием заявляемого способа. На фиг.7б приведено одно из горизонтальных сечений изображения, по которому можно составить более полное представление о высотах частиц. Горизонтальной линией отмечен приблизительный уровень поверхности стали.Fig. 7a shows, by way of example, the results of atomic force microscopy (NTegra probe microscope from NT-MDT, Zelenograd) on the surface of a steel product treated using the inventive method. On figb shows one of the horizontal sections of the image, on which you can make a more complete picture of the heights of the particles. The horizontal line indicates the approximate surface level of the steel.

На фиг.8 в качестве примера приведены результаты атомно-силовой микроскопии поверхности полиэтилена. На фиг.8а показана поверхность полиэтилена после обработки с использованием заявляемого способа. На фиг.8б приведена для сравнения необработанная поверхность полиэтилена.On Fig as an example shows the results of atomic force microscopy of the surface of polyethylene. On figa shows the surface of the polyethylene after processing using the proposed method. On figb for comparison, the untreated surface of the polyethylene.

Работа устройства предусматривает подключение источника постоянного напряжения к сети переменного напряжения, накопление энергии электромагнитного поля в накопителе электромагнитной энергии, инициацию разряда между электродами, подключенными с помощью системы токоподводов к системе накопления электромагнитной энергии, движение разряда по рабочим поверхностям электродов, сопровождающееся их нагревом, оплавлением и частичным испарением, нанесением слоя ультрадисперсного вещества электродов на поверхность обрабатываемого материала, при этом вся поверхность обрабатываемого материала или часть его поверхности располагается в системе позиционирования обрабатываемого материала.The operation of the device involves connecting a constant voltage source to an alternating voltage network, storing electromagnetic field energy in an electromagnetic energy storage device, initiating a discharge between electrodes connected to a system for storing electromagnetic energy using a current supply system, moving the discharge along the working surfaces of the electrodes, accompanied by heating, fusion and partial evaporation, applying a layer of ultrafine substance of electrodes on the surface of the processed material la, the entire surface of the material being processed or a part of its surface is located in the processed material positioning system.

Обработку материала можно проводить при разных давлениях и составах газовой смеси. Подбор состава газовой смеси позволяет получать на обрабатываемой поверхности слой ультрадисперсного вещества, составляющего электроды (например, в случае использования инертных газов), или из вещества, образующегося в результате химической реакции материалов электродов (например, в случае использования окислительных или восстановительных газовых смесей). Давление газа определяет энергию частиц, подлетающих к обрабатываемой поверхности (чем ниже давление, тем меньше расходуется кинетическая энергия частиц при одном и том же расстоянии до поверхности обрабатываемого материала). Тем обеспечивается возможность обрабатывать различные материалы и располагать их на разных расстояниях от электродов (от 1 до 50 см). Например, в случае низких давлений, испаренные с поверхности электродов частицы достигают обрабатываемой поверхности практически без изменения своей кинетической энергии, в результате - они способны разрушить поверхность материалов, подверженных деструкции (полимеров), но с другой стороны, - сохранение кинетической энергии позволит увеличить адгезию получаемого покрытия на металлах или керамических материалах.Material processing can be carried out at different pressures and compositions of the gas mixture. The selection of the composition of the gas mixture allows you to get on the surface to be treated with a layer of ultrafine substance constituting the electrodes (for example, in the case of using inert gases), or from a substance formed as a result of a chemical reaction of electrode materials (for example, in the case of using oxidizing or reducing gas mixtures). The gas pressure determines the energy of the particles flying up to the surface to be treated (the lower the pressure, the less the kinetic energy of the particles is consumed at the same distance to the surface of the processed material). This makes it possible to process various materials and place them at different distances from the electrodes (from 1 to 50 cm). For example, in the case of low pressures, the particles evaporated from the surface of the electrodes reach the surface to be treated almost without changing their kinetic energy, as a result they can destroy the surface of materials subject to degradation (polymers), but on the other hand, the conservation of kinetic energy will increase the adhesion of the resulting coatings on metals or ceramic materials.

Указанные в настоящей заявке диапазоны плотности энергии на поверхности электродов и длительности воздействия недостижимы во всех известных способах обработки поверхности, в которых используются традиционные квазистационарные формы разряда (коронный, барьерный, тлеющий, дуговой). Дуговая форма разряда позволяет получить максимальную плотность мощности, как в плазме разряда, так и на поверхности электродов. Однако в этом случае плотность мощности на поверхности электродов недостаточна для интенсивного испарения материала электродов. Исключение здесь - процессы, происходящие при низких давлениях (менее 10^-2 Па) и использующиеся в дуговых и магнетронных распылительных системах. Недостатки подобных систем уже обсуждались выше. Получить возможность использовать обычный дуговой разряд для нанесения покрытия можно с использованием электродов, спрессованных из неспеченных порошков. Нагрев такого электрода приводит разрыву связей между отдельными зернами порошка, которые, разогреваясь в плазме дугового разряда, осаждаются на поверхность второго электрода. Таким образом получают покрытия в способе, который выбран нами за прототип (патент РФ №2319789). Для того чтобы в качестве источника отдельных частиц наносимого на поверхность порошкового материала можно было использовать материал сплошного проводящего электрода, а размер самих частиц оказался меньшим, чем 1 мкм, необходимо увеличить плотность энергии, выделяемой на поверхности электрода. Определение возможного диапазона изменения плотности энергии плазменного воздействия на поверхности электродов в заявляемом способе проводилось экспериментально.The ranges of the energy density on the electrode surface and the duration of exposure indicated in this application are unattainable in all known surface treatment methods that use traditional quasistationary forms of discharge (corona, barrier, smoldering, arc). The arc shape of the discharge allows you to get the maximum power density, both in the discharge plasma and on the surface of the electrodes. However, in this case, the power density on the surface of the electrodes is insufficient for intensive evaporation of the electrode material. The exception here is the processes that occur at low pressures (less than 10 ^-2 Pa) and are used in arc and magnetron sputtering systems. The disadvantages of such systems have already been discussed above. You can get the opportunity to use a conventional arc discharge for coating using electrodes pressed from green powder. Heating of such an electrode leads to the breaking of bonds between the individual grains of the powder, which, when heated in an arc discharge plasma, are deposited on the surface of the second electrode. Thus, coatings are obtained in the method that we have chosen for the prototype (RF patent No. 2319789). In order for the solid conductive electrode material to be used as a source of individual particles of the powder material deposited on the surface, and the particles themselves be smaller than 1 μm, it is necessary to increase the energy density released on the electrode surface. The determination of the possible range of changes in the energy density of plasma exposure on the surface of the electrodes in the present method was carried out experimentally.

Экспериментальная проверка возможности реализации заявляемого способа обработки поверхности материаловExperimental verification of the feasibility of the proposed method for surface treatment of materials

Для экспериментальной проверки возможности реализации заявляемого способа обработки материалов было разработано и создано устройство, реализующее данный способ. В этом устройстве источник электромагнитной энергии выполнен в виде повышающего трансформатора и выпрямителя (выходное напряжение изменялось в диапазоне от 0,5 до 3,5 кВ), система накопления электромагнитной энергии выполнена в виде емкостного накопителя (суммарная емкость которого изменялась от 10^-4 до 10^-3 Ф), система токоподводов выполнена в виде отрезка коаксиального кабеля типа РК-50, длиной, система инициации разряда выполнена в виде системы высоковольтного искрового пробоя приэлектродных областей (напряжение холостого хода 12 кВ), система электродов выполнена в виде двух протяженных в одном направлении электродов прямоугольного сечения (10×10×200 мм), выполненных из нержавеющей стали (предусматривалась возможность регулировки расстояния между электродами от 2 до 5 мм и непараллельного их расположения), система изоляции электродов - в виде сменной текстолитовой пластины, толщину которой можно изменять от 2 до 5 мм, с возможностью регулировки положения ее рабочей границы относительно рабочей плоскости электродов. Система позиционирования обрабатываемых образцов имеет вид окна, вырезанного из сплошной пластины, с возможностью закрепления обрабатываемых образцов. Система позиционирования позволяет изменять расстояние от электродов до обрабатываемого материала (от 1 до 20 см). При этом устройство инициации разряда может располагаться как со стороны торца электродов, к которым подключается токоподводы, так и с противоположной стороны.For experimental verification of the possibility of implementing the inventive method of processing materials, a device was developed and created that implements this method. In this device, the electromagnetic energy source is made in the form of a step-up transformer and a rectifier (the output voltage varied in the range from 0.5 to 3.5 kV), the electromagnetic energy storage system is made in the form of a capacitive storage (the total capacity of which varied from 10 ^-4 to 10 ^-3 F), current leads the system is formed as a coaxial cable segment type RC-50, a length of the discharge initiation system is designed as a system of high voltage spark of electrode regions (open-circuit voltage of 12 kV), chem The electrodes were made in the form of two rectangular electrodes extended in one direction (10 × 10 × 200 mm) made of stainless steel (it was possible to adjust the distance between the electrodes from 2 to 5 mm and their non-parallel arrangement), the electrode insulation system in the form interchangeable textolite plate, the thickness of which can be changed from 2 to 5 mm, with the possibility of adjusting the position of its working boundary relative to the working plane of the electrodes. The positioning system of the processed samples has the form of a window cut from a solid plate, with the possibility of fixing the processed samples. The positioning system allows you to change the distance from the electrodes to the processed material (from 1 to 20 cm). In this case, the device for initiating the discharge can be located both on the side of the end of the electrodes to which the current leads are connected, and on the opposite side.

В ходе экспериментов контролировалось напряжение заряда на емкостном накопителе и оценивалось время процесса (качественно - по показаниям осциллографа Tektronix TDS-3012C, на который подавался сигнал от пояса Роговского, расположенного вокруг одного из токоподводов).During the experiments, the charge voltage on the capacitive storage was monitored and the process time was estimated (qualitatively - according to the readings of the Tektronix TDS-3012C oscilloscope, to which the signal from the Rogowski belt located around one of the current leads was applied).

Полученные данные позволяют оценить энергию, вкладываемую в разряд и в приэлектродные его области W_эл. В зависимости от длины разрядного промежутка полагалось, что доля мощности, выделяемой в приэлектродных областях, оставляет от 10% на относительно длинных промежутках (7 мм) до 50% на коротких (2 мм), при промежуточных значениях длин для определения доли энергии на электродах использовалась линейная аппроксимация этих значений). Под длиной разрядного промежутка понималось кратчайшее расстояние между точками привязки разряда на электродах с учетом того, что разряд огибает поверхность диэлектрической вставки.The data obtained make it possible to estimate the energy deposited in the discharge and in its electrode regions W _el . Depending on the length of the discharge gap, it was assumed that the fraction of power released in the near-electrode regions leaves from 10% in relatively long gaps (7 mm) to 50% in short (2 mm), with intermediate lengths, the energy fraction at the electrodes was used to determine linear approximation of these values). By the length of the discharge gap was meant the shortest distance between the attachment points of the discharge on the electrodes, taking into account the fact that the discharge envelops the surface of the dielectric insert.

Для количественного определения плотности вещества, уносимого под действием разряда с рабочей поверхности электродов, оказалось очень удобно использовать величину плотности энергии, вкладываемой на единицу поверхности электрода W_эл/S_опл.For quantitative determination of the density of a substance carried away under the action of a discharge from the working surface of the electrodes, it turned out to be very convenient to use the value of the energy density _deposited per unit electrode surface W _el / S _acc .

После проведения эксперимента определялись площадь оплавления на электродах (конфигурация зоны оплавления), размеры и плотность частиц на поверхности обрабатываемого материала (определяют свойства слоев, получаемых на поверхности обрабатываемого изделия). Площадь оплавления определяет область рабочей поверхности электродов, являющуюся источником наносимого на материал вещества, и с точки зрения достижения максимального технического результата нужно стремиться к максимальному значению этого параметра.After the experiment, the area of reflow on the electrodes was determined (the configuration of the reflow zone), the size and density of particles on the surface of the processed material (determine the properties of the layers obtained on the surface of the processed product). The area of reflow determines the area of the working surface of the electrodes, which is the source of the substance deposited on the material, and from the point of view of achieving the maximum technical result, it is necessary to strive for the maximum value of this parameter.

В ходе исследований были проведены эксперименты по следующим направлениям:During the research experiments were carried out in the following areas:

1. Определение зависимости площади оплавления поверхности электрода от напряжения емкостного накопителя;1. Determination of the dependence of the area of fusion of the electrode surface on the voltage of the capacitive storage;

2. Определение зависимости площади оплавления поверхности электрода от расстояния между рабочей границей диэлектрического изолятора и уровнем рабочей поверхности электродов;2. Determination of the dependence of the area of fusion of the electrode surface on the distance between the working boundary of the dielectric insulator and the level of the working surface of the electrodes;

3. Определение зависимости свойств получаемых слоев от расстояния между рабочей поверхностью электрода и системой позиционирования обрабатываемого материала;3. Determination of the dependence of the properties of the obtained layers on the distance between the working surface of the electrode and the positioning system of the processed material;

4. Определение направления и скорости движения разряда в зависимости от геометрии разрядного промежутка, места подключения емкостного накопителя и системы инициации разряда.4. Determination of the direction and velocity of the discharge, depending on the geometry of the discharge gap, the connection point of the capacitive storage and the discharge initiation system.

Результаты проведенных экспериментов свидетельствуют о нижеследующем.The results of the experiments indicate the following.

1. Движение разряда в разработанной системе связано с воздействием на него сильного магнитного поля, которое создает ток, протекающий по электродам (движение разряда в собственном магнитном поле), либо с уменьшением длины газоразрядного промежутка в направлении движения разряда. При этом использование системы протяженных электродов и регулировка длины разрядного промежутка за счет межэлектродного расстояния и высоты над поверхностью электродов рабочей границы диэлектрической вставки позволяет существенно увеличить площадь поверхности, которую можно обработать за один импульс, и тем самым значительно увеличить производительность процесса и качество - адгезию - покрытий, наносимых на обработанный материал.1. The movement of the discharge in the developed system is associated with the action of a strong magnetic field on it, which creates a current flowing through the electrodes (the movement of the discharge in its own magnetic field), or with a decrease in the length of the gas-discharge gap in the direction of the discharge. In this case, the use of a system of extended electrodes and adjustment of the length of the discharge gap due to the interelectrode distance and the height above the surface of the electrodes of the working boundary of the dielectric insert can significantly increase the surface area that can be processed in one pulse, and thereby significantly increase the productivity of the process and the quality - adhesion - of coatings applied to the processed material.

2. Изменение параметров установки позволяет получить среднюю удельную плотность энергии, вкладываемой на единицу поверхности электрода, в диапазоне от 10 до 5·10³ Дж/см². Нижний предел наблюдался при максимальных длинах разрядного промежутка и минимальных напряжениях, верхний - при минимальных длинах и максимальных напряжениях.2. Changing the installation parameters allows you to get the average specific density of energy deposited per unit surface of the electrode in the range from 10 to 5 · 10 ³ J / cm ² . The lower limit was observed at maximum discharge gap lengths and minimum voltages, and the upper limit was observed at minimum lengths and maximum voltages.

Во всех режимах удается существенно увеличить адгезию покрытия к обрабатываемой поверхности. Конкретные значения параметров процесса обработки необходимо подбирать экспериментально для каждого обрабатываемого материала, каждого материала электрода, расстояния до обрабатываемого материала и размера зоны обработки.In all modes, it is possible to significantly increase the adhesion of the coating to the treated surface. The specific values of the parameters of the processing process must be selected experimentally for each processed material, each electrode material, the distance to the processed material and the size of the processing zone.

3. В случае реализации системы накопления электромагнитной энергии в виде емкостного накопителя энергии (батареи конденсаторов, подключенных параллельно друг другу), уменьшить длительность воздействия на единицу поверхности с помощью параметров системы накопления электромагнитной энергии возможно до 10^-5 с. Чтобы накопить энергию, достаточную для получения требуемых значений плотности мощности, необходимо использовать батарею конденсаторов суммарной емкостью не менее 3·10^-4 Ф при начальном напряжении не менее 1 кВ. Эффективное суммарное сопротивление системы токоподводов и электродов при длительности импульса 10^-5 с составляет 0,03 Ом [3]. Таким образом, постоянная времени разряда емкостного накопителя не может оказаться менее 10^-5 с. Воздействие на поверхность электрода интенсивным потоком энергии в течение такого промежутка времени вызывает ее оплавление и разбрызгивание результате - поверхность электрода оказывается испорчена (такой электрод можно использовать только один раз), а получаемое покрытие состоит из относительно крупных капель диаметром 10^-4÷10^-5 м, т.е. в этом случае система не позволяет получить заявляемый технический результат.3. In the case of the implementation of the electromagnetic energy storage system in the form of a capacitive energy storage (capacitor banks connected in parallel to each other), it is possible to reduce the duration of exposure to a surface unit using the parameters of the electromagnetic energy storage system to 10 ^-5 s. To accumulate enough energy to obtain the required power density values, it is necessary to use a capacitor bank with a total capacity of at least 3 · 10 ^-4 F with an initial voltage of at least 1 kV. The effective total resistance of the system of current leads and electrodes with a pulse duration of 10 ^-5 s is 0.03 Ohm [3]. Thus, the discharge time constant of a capacitive storage device cannot be less than 10 ^-5 s. The impact on the electrode surface by an intense flow of energy during such a period of time causes its fusion and splashing as a result - the electrode surface is damaged (such an electrode can be used only once), and the resulting coating consists of relatively large droplets with a diameter of 10 ^-4 ÷ 10 ^-5 m , i.e. in this case, the system does not allow to obtain the claimed technical result.

4. Уменьшить время воздействия на единицу поверхности можно либо уменьшая емкость накопителя, а следовательно, и энергию одного импульса (это приведет к ограничению производительности), либо создавая условия для перемещения разряда по поверхности электродов. За счет ограничения длительности воздействия на единицу поверхности указанный диапазон плотности энергии, воздействующей на поверхность электродов, является достаточным (плотность мощности на поверхности - отношение энергии к длительности воздействия, составляет величину 10⁸-10⁹ Вт/см²) для нагрева, оплавления и испарения практически любого материала электрода. При высоких плотностях мощности и малых временах воздействия на поверхность электродов нагрев, оплавление и испарение происходит в тонком поверхностном слое, который (для одного из экспериментально исследованных вариантов) составляет величины 50±7, 10±3 и 5±2 мкм соответственно. При этом качество поверхности электродов после 100 циклов обработки существенно не изменяется, а получение слоя ультрадисперсного вещества на поверхности обрабатываемого материала многократно повышает его адгезию к покрытию.4. It is possible to reduce the exposure time per unit surface either by reducing the storage capacity of the drive and, consequently, the energy of one pulse (this will lead to a performance limitation), or by creating conditions for the discharge to move along the surface of the electrodes. By limiting the duration of exposure to a surface unit, the specified range of energy density acting on the surface of the electrodes is sufficient (power density on the surface - the ratio of energy to exposure duration, is 10 ⁸ -10 ⁹ W / cm ² ) for heating, fusion and evaporation virtually any electrode material. At high power densities and short times of exposure to the surface of the electrodes, heating, melting and evaporation occur in a thin surface layer, which (for one of the experimentally studied options) is 50 ± 7, 10 ± 3 and 5 ± 2 μm, respectively. Moreover, the surface quality of the electrodes after 100 processing cycles does not change significantly, and obtaining a layer of ultrafine substance on the surface of the processed material greatly increases its adhesion to the coating.

5. Требования по плотности мощности на поверхности электродов и по длительности импульса воздействия на единицу поверхности однозначно определяют значения токов, которые будут протекать в системе. Эти токи (более 10⁴ А) создают сильное магнитное поле вблизи (более 1 Тл), которое создает условия для движения плазмы по электродам вдоль диэлектрической вставки. В случае, если расстояние между электродами постоянно (они параллельны) и диэлектрическая вставка находится на одном уровне вдоль всего электрода, движение разряда всегда будет проходить в направлении от токоподводов, т.е. для достижения высокой скорости движения разряда система инициации разряда должна располагаться со стороны той части электродов, к которым подключается система токоподводов.5. The requirements for the power density on the surface of the electrodes and for the duration of the exposure pulse per unit surface uniquely determine the values of the currents that will flow in the system. These currents (more than 10 ⁴ A) create a strong magnetic field near (more than 1 T), which creates the conditions for the plasma to move along the electrodes along the dielectric insert. If the distance between the electrodes is constant (they are parallel) and the dielectric insert is at the same level along the entire electrode, the discharge will always travel in the direction from the current leads, i.e. in order to achieve a high discharge velocity, the discharge initiation system must be located on the side of that part of the electrodes to which the current supply system is connected.

6. Для формирования области разряда на рабочей поверхности электродов необходимо обеспечить условия, при которых самопроизвольный пробой в любой другой области между электродами будет невозможен. Система изоляции электродов может быть реализована либо в виде сплошной диэлектрической вставки, либо в виде двух и более диэлектрических вставок, расположенных между электродами, в промежутках между которыми расположены несколько испаряемых проводящих вставок, не подключеных к источникам электромагнитной энергии. В любом случае при напряжениях до 5 кВ и межэлектродных расстояниях более 1 мм, для того чтобы выполнить данное условие необходимо, чтобы на всех нерабочих границах диэлектрическая вставка выступала за границы электродов более чем на 1 мм.6. For the formation of the discharge region on the working surface of the electrodes, it is necessary to ensure the conditions under which spontaneous breakdown in any other region between the electrodes will be impossible. The electrode insulation system can be implemented either in the form of a continuous dielectric insert, or in the form of two or more dielectric inserts located between the electrodes, between which there are several evaporated conductive inserts that are not connected to electromagnetic energy sources. In any case, at voltages up to 5 kV and interelectrode distances of more than 1 mm, in order to fulfill this condition, it is necessary that, at all non-working boundaries, the dielectric insert protrudes beyond the boundaries of the electrodes by more than 1 mm.

7. Изменение расстояния от рабочей границы диэлектрической вставки до рабочей поверхности электродов позволяет изменить длину газоразрядного промежутка и тем самым регулировать напряжение, падающее на разряде, границы области электродов, с которых происходит испарение материала, направление разлета продуктов испарения, и, следовательно, размеры (площадь) и расположение области, в которой будет проводиться обработка материала. В проведенных экспериментах регулировалось относительное расстояние между рабочей границей диэлектрической вставки и рабочей поверхностью электродов в диапазоне от -5 до +5 мм. Уменьшение расстояния от -1 до -5 мм приводит к уменьшению площади материала, которая подвергается обработке. За счет того, что значительная часть разряда горит в промежутке между электродами, существенно ухудшается и равномерность обработки: высокая адгезия обеспечивается только в областях по краям обрабатываемого материала. Уменьшение расстояния меньше, чем до -5 мм приводит к тому, что практически весь разряд горит в узком промежутке между электродами, при этом площадь материала, которая подвергается обработке, уменьшается до нуля. Увеличение расстояния от -1 до 2 мм приводит к увеличению площади электрода, с которой происходит испарение материала, и увеличению площади материала, которая подвергается обработке (практически без изменения адгезии). Увеличение расстояния от 2 до 5 мм приводит к уменьшению площади электрода, с которой происходит испарение материала, и уменьшению площади материала, которая подвергается обработке (практически без изменения адгезии). Увеличение расстояния более чем на 5 мм не позволяло зажечь разряд.7. Changing the distance from the working boundary of the dielectric insert to the working surface of the electrodes allows you to change the length of the gas discharge gap and thereby control the voltage incident on the discharge, the boundaries of the region of the electrodes from which the material evaporates, the direction of expansion of the evaporation products, and, consequently, the dimensions (area ) and the location of the area in which the material will be processed. In the experiments, the relative distance between the working boundary of the dielectric insert and the working surface of the electrodes was controlled in the range from -5 to +5 mm. Reducing the distance from -1 to -5 mm leads to a decrease in the area of the material that is being processed. Due to the fact that a significant part of the discharge burns in the gap between the electrodes, the processing uniformity also deteriorates: high adhesion is provided only in areas along the edges of the processed material. Reducing the distance to less than -5 mm leads to the fact that almost the entire discharge burns in a narrow gap between the electrodes, while the area of the material that is processed is reduced to zero. An increase in the distance from -1 to 2 mm leads to an increase in the area of the electrode with which the material evaporates, and to an increase in the area of the material that is processed (practically without changing the adhesion). An increase in the distance from 2 to 5 mm leads to a decrease in the area of the electrode from which the material evaporates, and to a decrease in the area of the material that is processed (practically without changing the adhesion). Increasing the distance by more than 5 mm did not allow igniting the discharge.

8. Для получения меньшей толщины наносимого слоя УДМ и большей площади нанесения без ухудшения его адгезионных свойств необходимо увеличить скорость перемещения плазмы по поверхности электродов. Этого можно добиться, если уменьшать длину разрядного промежутка от места расположения токоподводов к свободным концам электродов. В этом случае уменьшение напряжения на емкостной батарее, которое происходит по мере движения разряда по электродам, компенсируется уменьшением напряжения между электродами, которое связано с уменьшением длины разрядного промежутка. Уменьшения длины разрядного промежутка в направлении от места расположения токоподводов к свободным концам электродов можно добиться, либо уменьшая межэлектродное расстояние, либо уменьшая расстояние от рабочей поверхности электродов до верхнего края диэлектрического изолятора. В частности, уменьшение межэлектродного расстояния на 2 мм либо уменьшение не более чем на 2 мм уровня рабочей границы диэлектрической вставки над рабочей поверхностью электродов, незначительно уменьшает длительность импульса (в 1,1-1,2 раза) и приводит к увеличению площади обработки материала без изменения качества обработки. Увеличение расстояния между рабочими поверхностями электродов от 2 до 4 мм либо увеличение от 2 до 3 мм уровня рабочей границы диэлектрической вставки относительно рабочей поверхности электродов незначительно увеличивает длительность импульса (в 1,2-1,4 раза) и приводит к уменьшению площади обработки материала (в 1,2-1,5 раза), без изменения качества обработки. Уменьшение расстояния между рабочими поверхностями электродов более чем на 4 мм либо уменьшение более чем на 3 мм уровня рабочей границы диэлектрической вставки относительно рабочей поверхности электродов приводит к невозможности инициации разряда из-за большой длины разрядного промежутка. При используемых напряжениях накопителя до 5 кВ, для того чтобы не возникал самопроизвольный межэлектродный пробой, минимальное расстояние между электродами должно составлять 2,5 мм при уровне рабочей границы диэлектрической вставки относительно рабочей поверхности электродов от -1 до +1 мм. Максимальная длина разрядного промежутка при этом оказывается больше 6,5 мм. Использование максимально возможного напряжения заряда емкостного накопителя (5 кВ) позволяло устойчиво инициировать разряд только при длине разрядного промежутка, не превышающей 6 мм.8. To obtain a smaller thickness of the applied UDM layer and a larger application area without deterioration of its adhesive properties, it is necessary to increase the plasma velocity along the surface of the electrodes. This can be achieved by reducing the length of the discharge gap from the location of the current leads to the free ends of the electrodes. In this case, the decrease in voltage across the capacitive battery, which occurs as the discharge moves along the electrodes, is compensated by the decrease in voltage between the electrodes, which is associated with a decrease in the length of the discharge gap. Reducing the length of the discharge gap in the direction from the location of the current leads to the free ends of the electrodes can be achieved by either decreasing the interelectrode distance or decreasing the distance from the working surface of the electrodes to the upper edge of the dielectric insulator. In particular, a decrease in the interelectrode distance of 2 mm or a decrease of no more than 2 mm in the level of the working boundary of the dielectric insert above the working surface of the electrodes slightly reduces the pulse duration (1.1-1.2 times) and leads to an increase in the processing area of the material without processing quality changes. An increase in the distance between the working surfaces of the electrodes from 2 to 4 mm or an increase from 2 to 3 mm of the level of the working boundary of the dielectric insert relative to the working surface of the electrodes slightly increases the pulse duration (1.2-1.4 times) and reduces the processing area of the material ( 1.2-1.5 times), without changing the quality of processing. A decrease in the distance between the working surfaces of the electrodes by more than 4 mm or a decrease by more than 3 mm of the level of the working boundary of the dielectric insert relative to the working surface of the electrodes makes it impossible to initiate a discharge due to the large length of the discharge gap. When the storage voltages used are up to 5 kV, in order to prevent spontaneous interelectrode breakdown, the minimum distance between the electrodes should be 2.5 mm at the level of the working boundary of the dielectric insert relative to the working surface of the electrodes from -1 to +1 mm. The maximum length of the discharge gap in this case is more than 6.5 mm. Using the maximum possible charge voltage of a capacitive storage device (5 kV) allowed stably initiating a discharge only with a discharge gap length not exceeding 6 mm.

Увеличение расстояния между рабочими поверхностями электродов, начиная от места расположения системы токоподводов, к противоположным концам электродов не более чем на 2 мм либо увеличение не более чем на 2 мм уровня рабочей границы диэлектрической вставки относительно рабочей поверхности электродов позволяет уменьшить скорость перемещения плазмы, увеличив тем самым размеры отдельных частиц, наносимых на поверхность материала. При этом область обработки материала уменьшается в 1,5-2 раза. Подобные режимы наиболее эффективны при обработке металлов.An increase in the distance between the working surfaces of the electrodes, starting from the location of the current supply system, to the opposite ends of the electrodes by no more than 2 mm or an increase of no more than 2 mm in the level of the working boundary of the dielectric insert relative to the working surface of the electrodes, makes it possible to reduce the plasma velocity, thereby increasing sizes of individual particles applied to the surface of the material. In this case, the processing area of the material is reduced by 1.5-2 times. Such modes are most effective in metal processing.

Увеличение расстояния между рабочими поверхностями электродов, начиная от места расположения системы токоподводов, к противоположным концам электродов более чем на 2 мм либо увеличение уровня рабочей границы диэлектрической вставки относительно рабочей поверхности электродов более чем на 2 мм приводит к существенному ухудшению качества поверхности электродов, которое делает невозможным многократное их использование.An increase in the distance between the working surfaces of the electrodes, starting from the location of the current supply system, to the opposite ends of the electrodes by more than 2 mm or an increase in the level of the working boundary of the dielectric insert relative to the working surface of the electrodes by more than 2 mm leads to a significant deterioration in the quality of the surface of the electrodes, which makes it impossible their repeated use.

9. Для получения большей толщины наносимого слоя УДМ без изменения адгезионных свойств необходимо уменьшить скорость перемещения плазмы по поверхности электродов. Этого можно добиться, если система инициации разряда расположена со стороны большего расстояния между электродами. В этом случае движение разряда связано с уменьшением длины разрядного промежутка и, следовательно, уменьшением напряжения на этом промежутке. По мере перемещения разряда магнитное поле тока электродов может тормозить движение разряда, если токоподвод выполнен со стороны части электродов с меньшим межэлектродным расстоянием, или не оказывать влияние на движение разряда, при подключении токоподводов к средним областям электродов.9. To obtain a larger thickness of the applied UDM layer without changing the adhesive properties, it is necessary to reduce the plasma velocity along the surface of the electrodes. This can be achieved if the discharge initiation system is located on the side of a larger distance between the electrodes. In this case, the movement of the discharge is associated with a decrease in the length of the discharge gap and, consequently, a decrease in voltage in this gap. As the discharge moves, the magnetic field of the current of the electrodes can slow down the movement of the discharge if the current supply is made on the part of the electrodes with a smaller interelectrode distance, or does not affect the movement of the discharge when connecting the current leads to the middle regions of the electrodes.

Уменьшение расстояния между рабочими поверхностями электродов, начиная от места расположения системы инициации разряда, менее чем на 2 мм либо уменьшение уровня рабочей границы диэлектрической вставки относительно рабочей поверхности электродов менее чем на 2 мм приводит к существенному ухудшению качества поверхности электрода, которое делает невозможным многократное их использование.A decrease in the distance between the working surfaces of the electrodes, starting from the location of the discharge initiation system, by less than 2 mm or a decrease in the level of the working boundary of the dielectric insert relative to the working surface of the electrodes by less than 2 mm leads to a significant deterioration in the quality of the electrode surface, which makes it impossible to reuse them .

Уменьшение уровня рабочей границы диэлектрической вставки относительно рабочей поверхности электродов более чем на 7 мм приводит к существенному ухудшению равномерности обработки и уменьшению площади материала, которая подвергается обработке, за счет того, что на значительной части длины электродов разряд горит в промежутке между электродами.A decrease in the level of the working boundary of the dielectric insert relative to the working surface of the electrodes by more than 7 mm leads to a significant deterioration in the uniformity of processing and a decrease in the area of the material to be processed, due to the fact that the discharge burns in the gap between the electrodes for a significant part of the length of the electrodes.

Уменьшение расстояния между рабочими поверхностями электродов, начиная от места расположения системы инициации разряда, более чем на 4 мм приводит к невозможности инициации разряда.A decrease in the distance between the working surfaces of the electrodes, starting from the location of the discharge initiation system, by more than 4 mm, makes it impossible to initiate the discharge.

10. В случае если система изоляции выполнена в виде двух и более расположенных между электродами диэлектрических вставок, в промежутках между которыми расположены одна или несколько испаряемых проводящих вставок, не подключенных к источникам электромагнитной энергии, разряд горит между электродами и проводящей вставкой (вставками), которая может быть выполнена из достаточно тонкого материала. В результате плотность тока и, следовательно, плотность мощности на поверхности вставки будет значительно выше, чем на электродах, и материал вставки испаряется значительно быстрее, чем поверхность электродов. Для того чтобы усилить эффект испарения материала вставки электроды можно выполнить из металла, который практически не будет расходоваться в процессе работы, а покрытие будет формироваться за счет испарения материала проводящей вставки (вставок), которая по мере ее испарения будет автоматически подаваться в зону разряда. Подобная организация процесса обработки существенно облегчит и позволит автоматизировать замену испаряемых материалов. В случае если используется две или более вставок, на обрабатываемой поверхности можно формировать покрытия различного химического состава, тем самым существенно расширяя возможности предлагаемого способа обработки материалов.10. If the insulation system is made in the form of two or more dielectric inserts located between the electrodes, between which there are one or more evaporated conductive inserts that are not connected to electromagnetic energy sources, the discharge burns between the electrodes and the conductive insert (s), which can be made of a sufficiently thin material. As a result, the current density and, therefore, the power density on the surface of the insert will be significantly higher than on the electrodes, and the material of the insert evaporates much faster than the surface of the electrodes. In order to enhance the effect of evaporation of the material of the insert, the electrodes can be made of metal, which will practically not be consumed during operation, and the coating will be formed by evaporation of the material of the conductive insert (s), which will automatically be fed into the discharge zone as it evaporates. Such an organization of the processing process will greatly facilitate and automate the replacement of evaporated materials. If two or more inserts are used, coatings of different chemical composition can be formed on the treated surface, thereby significantly expanding the possibilities of the proposed method of processing materials.

11. Проведенные экспериментальные исследования показали, что в результате перемещения плазменного сгустка по поверхности электродов происходит их нагрев, плавление и частичное испарение. При этом на обрабатываемый материал оказывается импульсное плазменное (температура, активные частицы, УФ-излучение) и механическое (от ударной волны) воздействие, а на его поверхности конденсируется вещество электродов и оказываются частицы материала электродов.11. The conducted experimental studies showed that as a result of the plasma bunch moving along the surface of the electrodes, they are heated, melted and partially evaporated. In this case, the material being processed is pulsed plasma (temperature, active particles, UV radiation) and mechanical (from the shock wave), and the material of the electrodes condenses on its surface and particles of the electrode material appear.

При обработке металлов увеличение адгезии прежде всего связано с существенным увеличением поверхности контакта его разветвленной за счет осаждения частиц материала электрода поверхности с покрытием (дополнительный фактор - температурное воздействие плазмы разряда). Результаты исследований, свидетельствующие о наличии частиц на поверхности обрабатываемого материала и о их размерах, приведены на фиг.7а. Разным уровнем серого здесь обозначена разная высота над поверхностью (шкала справа). Образец обрабатываемого материала (сталь 45) находился на расстоянии 25 мм от стальных электродов, напряжение заряда емкостного накопителя составляло 2 кВ, а суммарная емкость - 3·10^-4 Ф. На этой фотографии, полученной при помощи атомно-силовой микроскопии (зондовый микроскоп NTegra фирмы NT-MDT, Зеленоград), видно, что размеры хорошо закрепленных на обрабатываемой поверхности частиц составляют 200-800 нм в диаметре и 10-30 нм в высоту, т.е. представляют собой капли, при ударе растекшиеся по поверхности. На фиг.7б приведено одно из горизонтальных сечений изображения, по которому можно составить более полное представление о высотах частиц. Горизонтальной линией отмечен приблизительный уровень поверхности стали. Более подробные исследования с разрешением до 30 нм свидетельствуют, что на обрабатываемой поверхности присутствуют и более мелкие частицы диаметром менее 100 нм. При этом как крупные, так и мелкие частицы практически равномерно покрывают всю обрабатываемую поверхность, а средний размер частиц уменьшается при увеличении расстояния «электроды-обрабатываемый материал». Их средний вес при этом остается практически неизменным.When processing metals, an increase in adhesion is primarily associated with a significant increase in the contact surface of its branched surface due to the deposition of particles of the electrode surface material with a coating (an additional factor is the temperature effect of the discharge plasma). The research results, indicating the presence of particles on the surface of the processed material and their sizes, are shown in figa. Different gray levels indicate different heights above the surface (scale on the right). A sample of the processed material (steel 45) was located at a distance of 25 mm from steel electrodes, the charge voltage of the capacitive storage was 2 kV, and the total capacitance was 3 · 10 ^-4 F. In this photograph obtained using atomic force microscopy (NTegra probe microscope NT-MDT, Zelenograd), it can be seen that the sizes of particles well fixed on the treated surface are 200-800 nm in diameter and 10-30 nm in height, i.e. are droplets that, upon impact, spread over the surface. On figb shows one of the horizontal sections of the image, on which you can make a more complete picture of the heights of the particles. The horizontal line indicates the approximate surface level of the steel. More detailed studies with a resolution of up to 30 nm indicate that finer particles with a diameter of less than 100 nm are also present on the treated surface. At the same time, both large and small particles almost uniformly cover the entire processed surface, and the average particle size decreases with increasing distance "electrodes-processed material". Their average weight remains almost unchanged.

Увеличение расстояния «электроды-обрабатываемый материал» приводит к уменьшению размера отдельных частиц, что увеличивает суммарную их поверхность и, следовательно, площадь контакта поверхности обрабатываемого материала с покрытием. Изменяя расстояние «электроды-обрабатываемый материал», можно регулировать соотношение количества крупных и мелких частиц на обрабатываемой поверхности. Таким образом, можно экспериментально определить наиболее эффективные режимы обработки определенного типа металлов.Increasing the distance "electrodes-processed material" leads to a decrease in the size of individual particles, which increases their total surface and, consequently, the contact area of the surface of the processed material with the coating. By changing the distance "electrodes-processed material", you can adjust the ratio of the number of large and small particles on the treated surface. Thus, it is possible to experimentally determine the most effective modes of processing a certain type of metal.

Исследование результатов обработки полимерных материалов осложняется тем, что на их поверхности действуют сразу все перечисленные выше факторы. Определить вклад каждого из них оказывается весьма затруднительно. Более крупные частицы (с характерным размером 100-500 нм) механически деформируют поверхностный слой полимера, создавая неровности размером порядка нескольких микрометров и увеличивая тем самым в несколько раз возможную площадь контакта полимера с покрытием. Более мелкие частицы (с характерным размером менее 45 нм) связываются с радикалами, которые образовались в результате плазменного воздействия на поверхность полимера [Головятинский С.А. Модификация поверхности полимеров импульсной плазмой атмосферного давления. Вiсник Харкiвського Унiверситету. №628. 2004], и в дальнейшем адгезия этого участка поверхности уже будет определяться связями «металл-покрытие».The study of the results of processing polymeric materials is complicated by the fact that all of the above factors act on their surface at once. It is very difficult to determine the contribution of each of them. Larger particles (with a characteristic size of 100-500 nm) mechanically deform the surface layer of the polymer, creating irregularities about several micrometers in size and thereby increasing the possible contact area of the polymer with the coating several times. Smaller particles (with a characteristic size of less than 45 nm) bind to radicals that are formed as a result of plasma exposure to the polymer surface [S. Golovyatinsky. Surface modification of polymers by pulsed atmospheric pressure plasma. Newsletter of the Kharkiv University. No. 628. 2004], and in the future, the adhesion of this surface area will already be determined by the metal-coating bonds.

Регулируя содержание в продуктах испарения электродов относительно крупных и мелких частиц (расстоянием до обрабатываемого объекта, напряжением на электродах, суммарной емкостью конденсаторной батареи), можно создать эффект развития площади поверхности полимера. Об этом, в частности, свидетельствуют результаты атомно-силовой микроскопии полиэтилена, которые приведены на фиг.8. На фиг.8а показана поверхность полиэтилена после обработки с использованием экспериментальной установки, реализующей заявляемый способ. На фиг.8б приведена для сравнения необработанная поверхность полиэтилена. На обработанной поверхности хорошо видны борозды, созданные тяжелыми частицами, внедрившимися под поверхность материала (основная часть испаренных частиц движется под углом к обрабатываемой поверхности).By adjusting the concentration of relatively large and small particles in the products of evaporation of the electrodes (distance to the workpiece, voltage on the electrodes, and the total capacity of the capacitor bank), it is possible to create the effect of the development of the polymer surface area. This, in particular, is indicated by the results of atomic force microscopy of polyethylene, which are shown in Fig. 8. On figa shows the surface of the polyethylene after processing using an experimental installation that implements the inventive method. On figb for comparison, the untreated surface of the polyethylene. Furrows created by heavy particles that have penetrated beneath the surface of the material are clearly visible on the treated surface (the bulk of the vaporized particles moves at an angle to the surface to be treated).

Таким образом, разработанный способ позволяет объединить механический (существенное увеличение поверхности контакта поверхности обрабатываемого материала с покрытием) и - что особенно важно для полимерных материалов - физико-химический (разрыв и активация связей на поверхности полимера, образование связей между поверхностью полимера и частицами металла) подходы к увеличению адгезии.Thus, the developed method makes it possible to combine the mechanical (a substantial increase in the contact surface of the surface of the processed material with the coating) and, which is especially important for polymeric materials, the physicochemical (breaking and activation of bonds on the polymer surface, the formation of bonds between the polymer surface and metal particles) approaches to increase adhesion.

Описание экспериментов по определению адгезии полимерных материаловDescription of experiments to determine the adhesion of polymeric materials

Отсутствие общепринятого подхода к оценке адгезии потребовало от нас проведения сравнительного экспериментального исследования покрытий, получаемых с использованием наиболее распространенных плазмохимических методов обработки поверхности. Одинаковые условия проведения эксперимента и обработки результатов позволяют проводить сравнение различных методов обработки поверхности. В наших экспериментах для качественного сравнения результатов обработки поверхности полимеров использовалась одна из модификаций метода решетчатых надрезов.The lack of a generally accepted approach to assessing adhesion required us to conduct a comparative experimental study of coatings obtained using the most common plasma chemical surface treatment methods. The same experimental conditions and processing of the results make it possible to compare different methods of surface treatment. In our experiments, for a qualitative comparison of the results of polymer surface treatment, one of the modifications of the lattice notch method was used.

В проведенных исследованиях проводилось сравнение результатов повышения адгезии покрытий на полимерах при использовании трех видов предварительной обработки поверхности. Первый вид обработки предполагал увеличение площади контакта «полимер-покрытие» за счет развития поверхности полимера (матование наждачной бумагой). Второй вид обработки предполагал использование плазмохимической модификации в плазме искрового разряда. Третий - модификацию поверхности с использованием разработанного нами способа обработки материалов.In the conducted studies, the results of increasing the adhesion of coatings on polymers were compared using three types of surface pretreatment. The first type of processing involved an increase in the polymer-coating contact area due to the development of the polymer surface (matting with sandpaper). The second type of treatment involved the use of a plasma chemical modification in a spark discharge plasma. The third is surface modification using our developed method of processing materials.

Во всех экспериментах обрабатывалась область на поверхности подложек размером 85×35 мм из полиэтилена низкого давления (PE-LD) марки ПНД-273-83 и полипропилена (РР) марки ПП 8300. Предварительная подготовка подложек включала в себя очистку ветошью, смоченной в спирте, выделение на подложке области обработки (30×30 мм для нашего метода и 20×20 мм для обработки в плазме искрового разряда). Участки подложки, не подлежащие модификации, закрывались маской.In all experiments, the area on the surface of the substrates measuring 85 × 35 mm of low pressure polyethylene (PE-LD) grade PND-273-83 and polypropylene (PP) grade PP 8300 was treated. Preliminary preparation of the substrates included cleaning with rags soaked in alcohol, selection of the treatment area on the substrate (30 × 30 mm for our method and 20 × 20 mm for processing in a spark plasma). Areas of the substrate, not subject to modification, were masked.

Оценка адгезии проводилась при помощи одного из вариантов метода решетчатых надрезов. На обработанные подложки наносили покрытие (аэрозольный алкидный грунт Touch'n Tone Primer Gray Spray производства США). Окрашенные подложки выдерживали 24 часа для полной полимеризации при температуре 20-25°С. Затем в области обработки острым ножом нарезали сетку из квадратов 2×2 мм. Поверх сетки приклеивали самоклеящуюся тканево-армированную липкую ленту Duct Tape фирмы Tesa, США. После равномерного проглаживания ленту отрывали под углом 180° с одинаковым усилием и со скоростью порядка 5 см/с.The adhesion was evaluated using one of the lattice notch method variants. The treated substrates were coated (Touch'n Tone Primer Gray Spray aerosol aerosol primer manufactured in the USA). The painted substrates were held for 24 hours for complete polymerization at a temperature of 20-25 ° C. Then, in the processing area, a grid of 2 × 2 mm squares was cut with a sharp knife. A self-adhesive fabric-reinforced Duct Tape tape from Tesa, USA, was glued over the mesh. After uniform ironing, the tape was torn off at an angle of 180 ° with the same effort and at a speed of about 5 cm / s.

На этапах после окрашивания, после нарезания сетки и после отрыва ленты образцы сканировались планшетным сканером с разрешением 600 dpi (предварительно аккуратно убирались отлетевшие частицы краски).At the stages after staining, after cutting the mesh and after tearing off the tape, the samples were scanned by a flatbed scanner with a resolution of 600 dpi (the particles of paint that had flown away were carefully removed beforehand).

Количественное выражение адгезии делалось двумя способами: подсчетом количества квадратов сетки, у которых полностью отсутствуют следы повреждений, а также при помощи оценки покрытия по четырехбалльной системе (ГОСТ 15140-78, п.2.4). В первом случае абсолютный показатель качества адгезии определяется как процентное отношение количества квадратов без повреждения к общему количеству нарезанных квадратов. Во втором - как среднее арифметическое оценок каждого квадрата.A quantitative expression of adhesion was done in two ways: by counting the number of grid squares that have completely no signs of damage, as well as by assessing the coating using a four-point system (GOST 15140-78, clause 2.4). In the first case, the absolute indicator of adhesion quality is defined as the percentage of the number of squares without damage to the total number of chopped squares. In the second - as the arithmetic mean of the estimates of each square.

При проведении экспериментов по модификации поверхности в плазме искрового разряда область разряда формировалась таким образом, чтобы основная его часть проходила по поверхности полимера. Для формирования разряда использовался источник переменного напряжения частотой 100 Гц. Напряжение холостого хода источника составляло 12 кВ, а мощность - 30 Вт. Электроды, выполненные из медного провода толщиной 0,15 мм, располагались на расстоянии 1 мм от поверхности полимера с одной его стороны и на расстоянии 1 см друг от друга. Процесс обработки состоял в относительном перемещении электродов и поверхности полимера с постоянной скоростью около 0,3 см/с. В экспериментах обрабатывалась площадка с размерами 20×20 мм. Результаты проведенных исследований приведены в таблице.During experiments on surface modification in a spark discharge plasma, the discharge region was formed in such a way that its main part passed along the polymer surface. To form a discharge, an AC voltage source with a frequency of 100 Hz was used. The open circuit voltage of the source was 12 kV, and the power was 30 watts. The electrodes made of copper wire 0.15 mm thick were located at a distance of 1 mm from the polymer surface on one side of it and at a distance of 1 cm from each other. The processing process consisted in the relative movement of the electrodes and the surface of the polymer at a constant speed of about 0.3 cm / s. In the experiments, a platform with dimensions of 20 × 20 mm was processed. The results of the studies are shown in the table.

Анализ данных, полученных при сравнении разных методов повышения адгезии полимеров, позволяет сделать следующие выводы.An analysis of the data obtained by comparing different methods for increasing the adhesion of polymers allows us to draw the following conclusions.

1. Использование предложенного метода обработки поверхности позволяет улучшить адгезию покрытия на изделиях из полиэтилена низкого давления и полипропилена в 1,5-3 раза по сравнению с обработкой в плазме искрового разряда, и в 30 раз - по сравнению с обработкой матованием.1. Using the proposed surface treatment method can improve the adhesion of the coating on products made of low-pressure polyethylene and polypropylene by 1.5-3 times compared with the processing in a spark plasma, and 30 times compared with the processing of matting.

2. Использование искрового разряда, горящего вдоль поверхности полимера, также позволяет существенно улучшить адгезию, однако для получения адгезии, сравнимой с той, что получается при обработке заявляемым способом, обработка должна проводиться со скоростью, использование которой приводит к заметному оплавлению и деформированию поверхности (неровности имеют порядок 50-100 мкм), что в большинстве приложений недопустимо.2. The use of a spark discharge burning along the surface of the polymer can also significantly improve adhesion, however, to obtain adhesion comparable to that obtained by processing of the inventive method, processing should be carried out at a rate that leads to noticeable fusion and deformation of the surface (roughness have an order of 50-100 microns), which is unacceptable in most applications.

3. Заявляемый способ позволяет обрабатывать сложные криволинейные поверхности деталей, что практически невозможно при использовании традиционных форм обработки в плазме разряда.3. The inventive method allows you to process complex curved surfaces of parts, which is almost impossible when using traditional forms of processing in a discharge plasma.

4. Удельный энерговклад на единицу обрабатываемой поверхности (по данному параметру можно оценить энергетические показатели процесса) разрядом и в 5-7 раз ниже по сравнению с качественной обработкой в искровом разряде.4. The specific energy input per unit of the treated surface (this parameter can be used to estimate the energy parameters of the process) is discharged and 5–7 times lower compared to high-quality processing in a spark discharge.

ТаблицаTable №No. МатериалMaterial Условия обработкиProcessing conditions Условия окраскиPainting conditions Количественный показатель адгезииQuantitative indicator of adhesion Удельный энерговклад, Дж/см² Specific energy input, J / cm ² Шероховатость поверхности после обработки, мкмThe surface roughness after processing, microns 1 способ, %1 way,% 2 способ, баллы2 way, points 1one PE-LDPE-LD Без обработкиNo processing   00 4four -- -- 22 РРPP -””-- ”” -   00 4four -- -- 33 PE-LDPE-LD Заявляемый способThe inventive method Сразу после обработкиImmediately after processing 9595 1one 30thirty 1-21-2 4four -””-- ”” - Искровой разряд, 15 сSpark discharge, 15 s Сразу после обработкиImmediately after processing 6464 22 110110 1-21-2 55 -””-- ”” - Искровой разряд, 90 сSpark discharge, 90 s Через 2 часа после обработки2 hours after treatment 9191 1one 675675 более 10, наблюдается оплавлениеmore than 10, melting is observed 66 РРPP Заявляемый способThe inventive method Сразу после обработкиImmediately after processing 9494 22 30thirty 1-21-2 77 -””-- ”” - Искровой разряд, 20 сSpark discharge, 20 s -””-- ”” - 6363 22 150150 1-21-2 88 -””-- ”” - Матование наждачной бумагойSanding -””-- ”” - 33 33 -- более 10more than 10

Claims (13)

1. Способ обработки поверхности материалов, включающий формирование на ней слоя ультрадисперсного вещества, полученного в результате воздействия на материалы изолированных друг от друга электродов энергии импульсного электрического разряда, отличающийся тем, что используют разряд между двумя протяженными хотя бы в одном направлении электродами, подвод электромагнитной энергии к которым осуществляют с обеспечением перемещения разряда по рабочей поверхности электродов, при этом плотность энергии, воздействующей на поверхность электродов, составляет величину от 10 до 5·10³ Дж/см², причем обработку проводят в газовой среде, давление которой составляет величину от 10¹ до 10⁶ Па, а обрабатываемую поверхность материала располагают напротив рабочей поверхности электродов на расстоянии от 1 до 50 см от них.1. The method of surface treatment of materials, including the formation on it of a layer of ultrafine substance obtained by exposure to materials of isolated from each other electrodes of pulsed electric discharge energy, characterized in that they use a discharge between two electrodes extended in at least one direction, supplying electromagnetic energy to which the discharge is displaced along the working surface of the electrodes, while the density of energy acting on the surface of the elec odov, amounts of 10 to 5 × 10 ³ J / cm ² and the treatment is carried out in a gaseous environment, wherein the pressure is from 10 ¹ to 10 ⁶ Pa, and the treated material surface is opposite the working electrode surface at a distance from 1 to 50 see from them. 2. Устройство для обработки поверхности материалов способом по п.1, содержащее систему электродов, состоящую из двух протяженных хотя бы в одном направлении электродов, систему изоляции электродов, систему инициации разряда на рабочей поверхности электродов, систему токоподводов, связывающих электроды с источником электромагнитной энергии и систему крепления обрабатываемого материала, при этом системы подвода электромагнитной энергии, инициации разряда и изоляции электродов выполнены с возможностью обеспечения движения разряда по рабочей поверхности электродов, обращенной к системе крепления обрабатываемого материала, а источник электромагнитной энергии состоит из источника постоянного напряжения и системы накопления электромагнитной энергии.2. The device for surface treatment of materials by the method according to claim 1, containing an electrode system consisting of two electrodes extended in at least one direction, an electrode insulation system, a discharge initiation system on the electrode working surface, a current lead system connecting the electrodes to an electromagnetic energy source and the fastening system of the processed material, while the systems for supplying electromagnetic energy, initiating the discharge and insulation of the electrodes are made with the possibility of ensuring the movement of the discharge along p bochey electrode surface facing the fastening system of the processed material and a source of electromagnetic energy comprises a DC voltage source and electromagnetic energy accumulation system. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что система накопления электромагнитной энергии выполнена в виде батареи конденсаторов.3. The device according to claim 2, characterized in that the electromagnetic energy storage system is made in the form of a capacitor bank. 4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что система накопления электромагнитной энергии выполнена в виде индуктивного накопителя.4. The device according to claim 2, characterized in that the electromagnetic energy storage system is made in the form of an inductive storage. 5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что система инициации разряда выполнена в виде системы локального высоковольтного искрового пробоя приэлектродных промежутков.5. The device according to claim 2, characterized in that the system for initiating the discharge is made in the form of a system of local high-voltage spark breakdown of the electrode gaps. 6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что система инициации разряда выполнена в виде комбинации коммутирующего прибора, замыкающего один из токоподводов, и токопроводящей вставки, замыкающей электроды.6. The device according to claim 2, characterized in that the discharge initiation system is made in the form of a combination of a switching device that closes one of the current leads, and a conductive insert that closes the electrodes. 7. Устройство по п.2, отличающееся тем, что система изоляции электродов выполнена в виде расположенной между электродами сплошной диэлектрической вставки.7. The device according to claim 2, characterized in that the electrode insulation system is made in the form of a continuous dielectric insert located between the electrodes. 8. Устройство по п.2, отличающееся тем, что система инициации разряда расположена со стороны той части системы электродов, к которой подключены токоподводы при постоянном либо изменяющемся в направлении от системы инициации разряда уменьшающемся не более чем на 4 мм или увеличивающемся не более чем на 2 мм расстоянии между рабочими поверхностями электродов и постоянной или изменяющейся в направлении от системы инициации уменьшающейся не более чем на 3 мм или увеличивающейся не более чем на 2 мм высоте диэлектрической вставки над рабочей поверхностью электродов.8. The device according to claim 2, characterized in that the discharge initiation system is located on the side of that part of the electrode system to which the current leads are connected, which is constant or changing in the direction from the discharge initiation system, decreasing no more than 4 mm or increasing no more than 2 mm distance between the working surfaces of the electrodes and the constant or changing in the direction from the initiation system decreases not more than 3 mm or increasing by no more than 2 mm height of the dielectric insert above the working erhnostyu electrodes. 9. Устройство по п.2, отличающееся тем, что система изоляции электродов выполнена в виде двух диэлектрических вставок, расположенных между электродами, в промежутке между которыми расположена одна испаряемая проводящая вставка, которая изолирована от системы питания.9. The device according to claim 2, characterized in that the electrode insulation system is made in the form of two dielectric inserts located between the electrodes, between which there is one evaporated conductive insert that is isolated from the power system. 10. Устройство по п.2, отличающееся тем, что система изоляции выполнена в виде более чем двух диэлектрических вставок, расположенных между электродами, в промежутках между которыми расположены несколько испаряемых проводящих вставок, которые изолированы от системы питания.10. The device according to claim 2, characterized in that the insulation system is made in the form of more than two dielectric inserts located between the electrodes, between which there are several evaporated conductive inserts that are isolated from the power system. 11. Устройство по п.2, отличающееся тем, что система инициации разряда расположена со стороны той части системы электродов, к которой подключены токоподводы при постоянном или изменяющемся в направлении от системы инициации уменьшающемся не более чем на 4 мм или увеличивающемся не более чем на 3 мм расстоянии между изолированными поверхностями электродов и постоянной или изменяющейся в направлении от системы инициации уменьшающейся не более чем на 5 мм или увеличивающейся не более чем на 2 мм высоте диэлектрической вставки над рабочей поверхностью электродов.11. The device according to claim 2, characterized in that the discharge initiation system is located on the side of that part of the electrode system to which the current leads are connected, which is constant or changing in the direction from the initiation system, decreasing by no more than 4 mm or increasing by no more than 3 mm the distance between the insulated surfaces of the electrodes and the constant or changing in the direction from the initiation system decreases not more than 5 mm or increasing not more than 2 mm height of the dielectric insert above the working surface ited electrodes. 12. Устройство по п.2, отличающееся тем, что система инициации разряда расположена со стороны большего расстояния между электродами, причем изменение расстояния между изолированными поверхностями электродов составляет от 2 мм до 5 мм и большей высоты изолятора над рабочей поверхностью электрода, причем изменение высоты составляет от 2 до 5 мм, при этом система токоподводов подключена к системе электродов в произвольном месте.12. The device according to claim 2, characterized in that the discharge initiation system is located on the side of the larger distance between the electrodes, and the change in the distance between the insulated surfaces of the electrodes is from 2 mm to 5 mm and a greater height of the insulator above the working surface of the electrode, and the change in height is from 2 to 5 mm, while the current lead system is connected to the electrode system in an arbitrary place. 13. Устройство по п.2, отличающееся тем, что рабочая граница диэлектрических вставок расположена на расстоянии от -5 до +5 мм относительно уровня рабочей поверхности электродов и выступает за границы электродов менее чем на 1 мм на всех остальных границах. 13. The device according to claim 2, characterized in that the working boundary of the dielectric inserts is located at a distance from -5 to +5 mm relative to the level of the working surface of the electrodes and extends beyond the boundaries of the electrodes by less than 1 mm at all other boundaries.

Images